基于压电传感器振动测量及信号调理电路设计Word格式.docx
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摘要
本设计采用检测实验室的CSY-3000型传感器与检测技术实验台研究压电传感器振动测量及信号调理电路，最后通过双踪示波器观测波形来分析振动源的振动情况。
系统硬件电路由压电传感器实验模板上的电荷放大器，主机箱上的直流稳压电源和低频振荡器，压电传感器，振动源，低通滤波器以及双踪示波器构成。
各个部分的硬件已做成模块，模块之间只需要简单的连线就可以完成，操作简单，外界环境对内部电路的影响小；
用双踪示波器观察波形方便，使测量变为更加简单直观。
Abstract
ThisdesignusestestinglaboratoriesCSY-3000sensoranddetectiontechnologytest-bedmeasurementofpiezoelectricvibrationsensorandsignalconditioningcircuitry,andfinallythroughthedualtraceoscilloscopetoobservewaveformanalysisofthevibrationofthevibrationsource.
Hardwarecircuitbythepiezoelectricsensorschargeamplifiersexperimentaltemplate,themainchassisoftheDCpowersupplyandlow-frequencyoscillator,piezoelectricsensors,vibrationsource,low-passfilteranddualtraceoscilloscopecomposition.
Hasbeenmadeinvariouspartsofthehardwaremodule,themodulerequiresonlyasimpleconnectionbetweencanbedone,simpleoperation,theexternalenvironmentimpactontheinternalcircuitissmall;
withdualtraceoscilloscopetofacilitateobservationofthewaveform,themeasurementbecomesmoresimpleandintuitive.
一、方案设计
1.1.选择的传感器类型
工程振动量值的物理参数常用位移、速度和加速度来表示。
由于在通常的频率范围内振动位移幅值量很小，且位移、速度和加速度之间都可互相转换，所以在实际使用中振动量的大小一般用加速度的值来度量。
常用单位为：
米/秒2（m/s2），或重力加速度（g）。
描述振动信号的另一重要参数是信号的频率。
绝大多数的工程振动信号均可分解成一系列特定频率和幅值的正弦信号，因此，对某一振动信号的测量，实际上是对组成该振动信号的正弦频率分量的测量。
对传感器主要性能指标的考核也是根据传感器在其规定的频率范围内测量幅值精度的高低来评定。
最常用的振动测量传感器按各自的工作原理可分为：
压电式、压阻式、电容式、电感式以及光电式等。
下面简单介绍压电式、压阻式、电容式原理和特点。
1.1.1.压电式
压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。
敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。
压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。
虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。
与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
1.1.2.压阻式
应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动态模型仍然是弹簧质量系统。
现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计具有很大的灵活性以适合各种不同的测量要求。
在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。
同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高，测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。
超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。
需要指出的是尽管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言其使用范围一般要小于压电型传感器。
压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。
在价格方面，大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力，但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。
1.1.3.电容式
电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。
当质量受加速度作用运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。
电容式加速度计与其它类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受温度的影响比较小；
但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善。
在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量，其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。
综合资源的考虑以及上面所述压电式传感器因为具有测量频率范围宽、量程大、体积小、重量轻、对被测件的影响小以及安装使用方便，所以我们选择了压电传感器。
1.2.对传感器的分析
压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。
所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。
压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。
压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。
其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。
压电传感器只能应用于动态测量，由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。
压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。
1.3.系统方案
在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。
1.3.1.机械式测量方法
将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。
但在现场测试时较为简单方便。
1.3.2.光学式测量方法
将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。
如读数显微镜和激光测振仪等。
1.3.3.电测方法
将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。
电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。
这是目前应用得最广泛的测量方法。
上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同，但是，组成的测量系统基本相同，它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。
1.拾振环节。
把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工作的器件叫传感器。
2.测量线路。
测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。
比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；
此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。
3.信号分析及显示、记录环节。
从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计等）、记录设备（如光线示波器、磁带记录仪、X—Y记录仪等）等。
也可在必要时记录在磁带上，然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。
综上资料所述，我们得出下面系统方案；
由一个机械震动台产生振动源带动压电加速度传感器振动，压电加速度传感器受震动后输出的电荷会变化，但输出电荷变化太小，于是接入电荷放大器放大再通过低通滤波器进行滤波后接入双踪示波器进行观测。
二、理论分析
压电式传感器是一个典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。
压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
2.1、
压电效应
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；
人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图1（a）、（b）、（c）所示。
这种现象称为压电效应。
（a）（b）（c）
图1压电效应
2.2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图2（a）所示。
当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻（也称漏电阻）虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看，它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如图2（b）所示。
其中ea=Q/Ca
。
式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；
Q为压电晶片表面上的电荷；
Ca
为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
压电晶片并联时如图2（c）所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
（a）压电晶片
（b）等效电荷源
（c）并联
（d）压电式加速度传感器
图2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。
根据图2（b）可知测试中也可取等效电容Ca
上的电压值，作为压电传感器的输出。
因此，压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
2.3、压电式加速度传感器
图2（d）是压电式加速度传感器的结构图。
图中，M是惯性质量块，K是压电晶片。
压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。
在压电晶片K上，放有质量块M。
当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力F＝Ma。
当质量M一定时，压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
2.4、压电式加速度传感器和放大器等效电路
压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器所配接的放大器有两种结构形式：
一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比；
另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。
电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容Cc敏感。
当电缆长度变化时，Cc就变化，使得放大器输入电压ei变化，系统的电压灵敏度也将发生变化，这就增加了测量的困难。
电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。
它是一个高增益带电容反馈的运算放大器。
当略
图3传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图
去传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri影响时，有Q=ei（Ca+Cc+Ci）+（ei-ey）Cf……
（1）。
式中，ei为放大器输入端电压；
ey为放大器输出端电压ey=-Kei；
K为电荷放大器开环放大倍数；
Cf为电荷放大器反馈电容。
将ey=-Kei代入式
（1），可得到放大器输出端电压ey与传感器电荷Q的关系式：
设C=Ca+Cc+Ci
ey=-KQ/[（C+Cf）+KCf]……..
（2）
当放大器的开环增益足够大时，则有KCf>
>
C+Cf
（2）简化为
ey=-Q/Cf……（3）
式（3）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容
所以，电荷放大器的灵敏度调节，都是采用切换运算放大器反馈电容
的办法。
采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。
电路原理图及各部分分析
整个系统的电路原理框图如下图图4所示。
接下来我们具体分析一下电荷放大器和低通滤波器电路。
图4压电加速度传感器测振动原理框图
3.1电荷放大器电路部分
压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。
具体电路原理图如下图5所示。
图5电荷放大器原理图
3.2.低通滤波器电路部分
压电加速度传感器是一个弱阻尼的振动系统,因此它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰,此峰值严重地引起了高频噪声,并对输入信号产生失真和干扰。
为此,需在放大器中采用低通滤波器,以补偿传感器引起的高频幅频特性.另外,在某些振动测试中,电荷放大器的通频带有时远远高于实际的需要,而无用的高频带的存在对低频测试只会带来坏的影响,所以在系统中就非常有必要采用低通滤波器,他只能让低频交流分量通过,使无用的高频分量受到较大的衰减.
滤波器种类很多,有LC的,也有RC的,又分为有源和无源的.无源的RC低通滤波器具有线路简单,抗干扰性强,有较好的低频范围工作性能等优点,并且体积较小,成本较低,所以在系统中被广泛采用.但是,由于他的阻抗频率特性没有随频率而极具改编的谐振性能,故选择欠佳,为了克服这个缺点,在RC网络上加上运算放大器等有源元件,组成有源RC低通滤波器.有源RC低通滤波器在通带内不仅可以没有衰减,还可以有一定的增益.因为我们测量的信号频率不是很高,所以我们采用的是二阶RC有源滤波器,其特点是简单,易调节。
四、实验
4.1.实验目的
了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
4.2.实验步骤
4.2.1、按图6所示将压电传感器安装在振动台面上（与振动台面中心的磁钢吸合），振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器，其它连线按图示意接线。
具体连接实物图如图7所示。
图6压电传感器振动实验安装、接线示意图
图7连接实物图
4.2.2、将主机箱上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底（低频输出幅度为零），调节低频振荡器的频率在6～8Hz左右。
检查接线无误后合上主机箱电源开关。
再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动（如振动不明显可调频率）。
具体连接实物图如图8所示。
图8连接实物图
4.2.3、用示波器的两个通道[正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它（TIME/DIV：
在50mS～20mS范围内选择；
VOLTS/DIV：
0.5V～50mV范围内选择）设置]同时观察低通滤波器输入端和输出端波形，实物图如图9、图10所示；
在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化，实物图如图11所示。
图9正确选择双踪示波器的实物图1
图10正确选择双踪示波器的实物图2
图11敲击振动台时波形显示图
4.2.4、改变低频振荡器的频率（调节主机箱低频振荡器的频率），观察输出波形变化。
图12低频振荡器的频率为5Hz时示波器波形图
图13低频振荡器的频率为7Hz时示波器波形图
图14低频振荡器的频率为8Hz时示波器波形图
4.2.5.实验完毕，关闭电源。
五、数据分析
5.1.由测量的数据分析可知：
通过低通滤波器和未通过低通滤波器的波形有明显的不同，经过低通滤波器的波形较好，便于测量。
5.2.在振动台正常振动时用手指敲击振动台时，输出波形有明显的增大幅值的变化。
5.3.改变低频振荡器的频率，输出波形的幅值随频率的增大幅值也随着增大。
六、误差分析
6.1.运算放大器本身一系列随环境引起的变化带来的误差
6.2.构成低通滤波器器件变化产生的误差
6.3.连接电缆的固定产生的误差
连接的电缆虽然是低噪音电缆，但若固定不当，也会产生一些噪音，电缆的机械运动会引起电缆电容和电荷的变化，主要是低频噪音，所以在实验室时应在传感器近端，把电缆固定，使电缆在传感器近端尽可能平直。
6.4.接地点选择的误差
当电荷放大器与压电加速度传感器，记录仪器组成测试系统时，往往由于接地点选择不当，引入很大的干扰，严重时使测量无法进行。
其原因是各点地电位不相等，如果在不同接触点与连接电缆间形成对地的回路电流，此电流就形成了一个干扰源。
因此测量系统最好只有一个接地点。
接地点位置的选择往往需要用实测方法决定，但一般来说最好选在记录和读出装置上。
七、总结
传感器作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己在一点一滴的努力中对电路设计的兴趣也在逐渐增加。
这次传感器课程设计我们历时一个星期,对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。
现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!
在一个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多!
作为一名测控专业的大四学生，我觉得做传感器课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。
在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？
我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。
其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：
Protel绘图、MicrosoftVisio绘图、传感器、模拟和数字电路知识等。
虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。
小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。
大学是一个教育我、培养我、磨练我的圣地，我为我能在此生活而倍感荣幸。
社会是一个很好的锻炼基地，能将学校学的知识联系于社会。
实践是学生接触社会，了解社会，服务社会，运用所学知识实践自我的最好途径。
亲身实践，而不是闭门造车。
实现了从理论到实践再到理论的飞跃。
增强了认识问题，分析问题，解决问题的能力。
为认识社会，了解社会，步入社会打下了良好的基础。
感谢老师和同学的帮助，顺利完成此次课程实训。
参考文献
1.刘迎春叶湘滨，传感器原
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