压电加速度测量系统的设计

课程设计报告题目基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计2014-2015 第二学期专业班级2012级电气5班姓名赵倩学号************指导教师马鸣教学单位电子电气工程学院2015年7月6日课程设计任务书一、压电式加速度传感器的概要 (4)二、信号采集系统的总设计方案 (5)三、信号采集系统分析 (6)1、电荷转换部分: (6)2、适调放大部分 (6)3、低通滤波部分: (7)4、输出放大部分 (7)5、积分器部分： (8)四、单片机软件设计 (8)五、Multisim仿真分析 (10)1．仿真电路图 (10)2.仿真波形及分析 (11)六、误差分析 (11)1、连接电缆的固定 (11)2、接地点选择 (12)3、湿度的影响 (12)4、环境温度的影响 (12)七、改进措施 (12)六、心得体会 (12)七、参考文献 (13)前言在数据采集领域，NI作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于PC的数据采集产品的领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。

但配备NI公司的数据采集硬件及软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，其输出模拟量为缓变低频信号，采用总线型。

压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。

由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。

世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速度传感器，都是压电式的。

本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系统。

基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计一、压电式加速度传感器的概要压电式加速度传感器是一种典型的自发式传感器，又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。

压电式加速度计的工作原理压电式加速度计是一种常见的加速度测量设备，它基于压电效应利用压电材料的特性来实现测量加速度的目的。

压电材料是一种具有压电效应的晶体材料，能够将机械应力转化为电荷或电势差。

下面将从基本原理、工作原理和应用领域三个方面详细介绍压电式加速度计的工作原理。

1.基本原理压电效应是指在一些晶体材料中，施加压力或机械挤压会导致晶体内部产生正负电荷分离的现象。

这种分离的电荷可以通过外部的电路连接来测量，由此可以得到施加在晶体上的压力或机械应力的大小。

压电效应主要存在于具有特定晶体结构的压电材料中，如压电陶瓷，其中最常见的是PZT（铅锆钛）材料。

压电材料的晶体结构使得在施加压力时，其中的正、负离子会发生形变并分离，形成电荷。

这种电荷的大小与施加的压力成正比，可以通过外部电路连接到测量设备中进行读取和分析。

2.工作原理当加速度计受到加速度作用时，质量会产生相应的惯性力，压电陶瓷片将因此受到应力，而产生压电效应。

在质量的一动，另一个静止的陶瓷片将会感受到压力的变化，并产生相应的电信号。

这个电信号可以被读取和分析，并转化为加速度的数值。

由于压电材料的压电效应是线性的，所以电信号的幅度与施加的加速度成正比。

3.应用领域-汽车工业：用于测量车辆在运动中的加速度、减速度和振动情况，以改善车辆的稳定性和舒适性。

-工程监测：用于测量建筑物、桥梁、隧道等工程结构在风、震动或其他外力作用下的振动情况，以评估结构的安全性。

-航空航天研究：用于测量飞行器在起飞、飞行和降落过程中的加速度、振动情况，为研究和改进飞行器设计提供参考数据。

-体育科学：用于测量运动员的加速度、速度和姿势，以帮助改进训练方法和运动技术。

-军事应用：用于军事装备的性能测试和武器系统的精确度评估，以及士兵在战斗中的生理状态监测。

总之，压电式加速度计通过利用压电材料的特性，将机械应力转化为电信号来测量加速度。

它在各个领域中都有广泛的应用，对于研究和改进工程结构、运动技术以及改善产品性能等方面都起到了重要的作用。

课程设计说明书题目：压电式加速度传感器的设计学院（系）：电气工程学院课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

目录示例目录第1章摘要 (1)第2章引言 (2)第3章电路仿真及准备作 (3)第4章压电式加速度传感器的参数设计及计算 (12)4.1 结构设计 (12)4.2 电容设计与计算 (12)4.3 其他参数的计算 (12)第5章误差分析 (13)第6章结论 (14)心得体会 (14)参考文献 (15)第一章摘要传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。

传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。

现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。

传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。

压电式传感器是基于压电效应的传感器。

压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。

经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。

压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

第二章引言压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。

电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。

MEMS压电式加速度计MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）压电式加速度计是一种利用压电效应测量加速度的传感器。

它基于微纳技术制造而成，具有小型化、低功耗、高性能等优势，在汽车、航空航天、智能手机等领域广泛应用。

MEMS压电式加速度计的主要原理是利用压电材料的特性。

压电材料是一种在受到力或压力作用下会产生电荷的材料。

当压电材料受到加速度作用时，会产生应变，从而产生电荷。

通过测量这个电荷的大小，就可以确定加速度的大小。

MEMS压电式加速度计由压电传感器和信号处理电路组成。

压电传感器通常采用层状压电片结构，其中包含了压电材料和电极层。

当压电材料受到加速度作用时，会产生电荷，在电极间形成电压。

信号处理电路会将这个电压转换为数字信号，并进行处理和分析。

MEMS压电式加速度计具有以下优势。

首先，它是一种小型化的传感器，体积小、重量轻，可以方便地集成到其他设备中。

其次，它具有低功耗的特性，适合于电池供电的应用。

此外，它的响应速度快，可以检测频率较高的加速度变化。

最后，它的测量精度高，可以达到微米级的精度要求。

MEMS压电式加速度计在汽车行业中得到广泛应用。

例如，在车辆的安全系统中，可以通过加速度计来检测车辆的碰撞、翻滚等情况，从而触发安全气囊的打开。

此外，它还可以被用于车辆的悬挂系统、刹车系统等方面的控制和监测。

在航空航天领域，MEMS压电式加速度计可以用于火箭、导弹等飞行器的姿态控制和导航系统中。

通过测量加速度，可以确定飞行器的姿态和位置，从而实现精确的导航和控制。

在智能手机等消费类电子产品中，MEMS压电式加速度计可以用于屏幕旋转、手势识别等功能。

通过感知手机的倾斜、旋转等动作，可以实现屏幕的自动旋转、游戏的控制等功能。

总之，MEMS压电式加速度计是一种应用广泛的传感器，具有小型化、低功耗、高性能等优势。

它在汽车、航空航天、智能手机等领域发挥着重要的作用，为这些领域的发展和进步做出了贡献。

PZT压电加速度传感器的设计l.i课题研究的目的和意义加速度传感器应用与设讣的要求最初是山航空航天、机器人、军事领域中对物体控制等特殊领域中提出的。

例如，在航空航天领域，山于各种运载丄具和总航系统在飞行过程中，来自自身推力系统产生的振动以及大气环境的影响而产生的振动直接影响系统的飞行姿态和运行轨迹。

因此，必须随时监测其各类负载的振动状态。

但是长期以来，我国各种大型运载工具和E行器上测控用的加速度传感器都是单轴结构，只有一维功能，故无法提供全面的加速度信息，必须同时采用多个一维加速度传感器，这在一定程度上制约了对飞行器飞行姿态测试和控制的精确性和有效性。

显而易见，只能获取一维加速度分量与时获得测量处六维加速度信息是有着本质上的区别的。

所以对多维加速度传感器的研究具有明显的科学技术价值与重要意义，因此对多维加速度传感器的研制不仅在机器人领域而且在其它领域仍然意义重大。

多维加速度传感器的研制国内外还处于起步阶段，所以寻求一种新的途径进行多维加速度传感器的设讣成为多维加速度传感器设计的一项重要课题。

多维加速度传感器一般是山敬感元件、变换元件和测量电路三部分组成。

除自源型传感器外，还需外加辅助电源，用框图表示如下。

图1-1加速度传感器的组成框图结合振动轮系统理论分析结论，采用如图4所示的测量系统，选择某样机在施丄现场测取系统的主要响应信号。

山分离的加速度计、电荷放大器、数据采集测试仪组成振动测量系统，该系统主要技术指标如下通道数为8；采集方式为多通道并行;A/D分辨率为12 b it;最高采样频率为1MHz;频率范围为0 1 5 H z〜6 kH z ;低通滤波器的衰减斜率为-12 d B / O CT;加速度测量范圉为O~5 0m/ s 2;数据存储深度为任意（视硬盘空间而定）。

图1.2 总的设计框图可以看出，弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设讣的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要，是传感器设计的关键。

集成加速度传感器的软件设计摘要在加速度测试系统传统结构中，从传感器、温度偏移纠正电路、放大电路到数据采集各设备往往都是孤立的，不便于携带并受到测量空间的限制。

本文介绍了一种利用单片机集成系统进行数据采集与传输的方案，较好的解决了系统集成化问题。

方案采用通用性较强，价格便宜的80C51单片机；人机接口采用8297；A/D转换器采用ADC0809；片外存储器选用两片6264，容量扩至16k×8；数据传输采用USB，用CH375芯片作为单片机串行口与USB的连接芯片。

数据采样频率设为六种可选，最小至0.2ms，最大至625ms，可以适应不同的应用场合。

单片机系统在实际工业系统中可能会遇到各种干扰和自身的随机性误差，目前的抗干扰方法主要有硬件看门狗技术和软件陷进技术等，本方案将两种方法结合起来，进一步提高了系统的稳定性。

关键词:单片机;数据采集;硬件看门狗;中断系统;串行通信The software design of the integrated accelerometerAbstractIn traditional acceleration test system, components form accelerometer, temperature compensation, electric enlarge circuit to data acquisition unit are all stand alone, inconvenience in take and being subjected to the measuring space. This text introduced a method that using integration system of single chip microcomputer for data acquisition and deliver, resolving the integration of the system.This project adopts in general used, low-cost 80C51 system;Person's machine connects to adopt 8297;The A/D conversion machine adoption ADC0809; RAM use two slices of 6264 , the capacity expands to the 16 k × 8;Data_deliver uses the USB, using the CH375 chips as conjunct chip between the USB and the serial interface. The date- acquisition frequency sets for six kinds of eligibility, the minimum to 0.2 ms, the biggest to 625 ms, adapting different applied situation Single chip microcomputer system may fall across some impacting factors and self random error, the current anti- impacting methods mainly have the hardware watchdog technique and software trap method etc. This project put together two kinds of methods, further raising the stability of the systemKeyword:single chip microcomputer;data-acquisition; the hardware watchdog;outage system;serial communication目录第一章引言 (1)1.1 当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷 (1)1.2 加速度测试系统传统构造 (1)1.3 论文的预期目标 (3)第二章系统的硬件组成 (3)2.1 系统的硬件总体设计 (3)2.2 A/D转换模块 (5)2.2.1 A/D转换模块的设计 (5)2.2.2 数据存储器的扩展 (7)2.3 键盘显示接口的设计 (7)2.3.1 8279的介绍 (7)2.3.2 接口的设计 (10)2.4 数据传输模块 (11)2.4.1 CH375芯片简介 (11)2.4.2 数据传输模块设计 (14)2.5 看门狗复位电路 (14)第三章系统的软件实现 (15)3.1 软件的总体结构 (15)3.2 数据采集子程序 (17)3.2.1 采样频率 (17)3.2.2 数据采集 (18)3.3 指令采集子程序 (19)3.3.1 8279的初始化 (19)3.3.2 指令采集程序的设计 (21)3.4 数据传输子程序 (21)第四章系统抗干扰设计 (22)4.1 干扰源及其传播途径 (23)4.2 系统抗干扰措施 (24)第五章结论 (25)致谢 (26)参考资料 (27)附件................................1.引言1.1当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。

压电式传感器应用设计报告1.设计题目：压电式传感器测振动2.设计要求：利用压电式传感器进行振动测量，根据压电效应，当传感器和试件以相同频率振动时，可以产生正比于加速度的表面电荷。

3.设计中所使用的传感器的原理：压电式传感器（由惯性质量块和受压的压电片等组成）是一种机电换能器，所用的压电片(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时，会在压电片的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比。

当压电晶体片受力时，晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷，由于晶体片的绝缘电阻很高，因此压电晶体片相当于一只平行板电容器，如图1所示。

其电容量为d A C a ε=晶体片上产生的电压量与作用力的关系为t F Ad d F A d d C qe a a ωεεsin 3333=== 式中：ε为压电晶体的介电常数；A 为晶体片(构成极板)的面积；d 为晶体片的厚度；d33为压电系数；F 为沿晶轴施加的力。

图1 压电晶体内部等效图 压电式加速度计的晶体片确定后，d33、d 、￡、A 都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。

测量时，当加速度计受振动时，传感器与试件固定在一起感受相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。

而此交变电荷(电压)又与作用力成正比，因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。

这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。

4.设计所需元器件：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。

双踪示波器。

5.设计的测量电路图：图26.调试过程及结果分析：1、 将压电传感器装在振动台面上。

2、 将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。

3、 将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端。

将压电传感器实验模板电路输出端V o1（如果增益不够大，需接可变增益放大器：V o1，接R 6， V 02接低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi ，低通滤波器输出V 0与示波器相连。