传感器课程设计.docx
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传感器课程设计
微振动测试仪设计
电子信息工程08级2班指导老师：
摘要：
微振动测试仪的设计主要组成部分为压电式加速度传感器、电荷放大器和运算放大器。
压电传感器用于信息的采集；通过电路连接把所采集的信息传递给电荷放大器，对微弱的电荷信号进行放大，除了电荷放大，还要用运算放大器再一次对信号进行放大。
这样，输出的电压就会反映出物体的振动状态。
关键词：
压电传感器；振动；加速度；放大
第一章整体电路设计
整体电路组成框图如图1-1所示：
输出
信息输入
图1-1
整体电路工作原理：
将被测物体与传感器放在一起，当物体受到振动时，传感器将这种微弱的振动传递给电荷放大器，电荷放大器对微弱的电荷信号进行放大。
然后，还要再一次将信号用运算放大器进行放大，然后再将该信号输出，这样就可依据输出的电压判断振动的大小。
微振动测试仪用于各种大型构件、桥梁、水坝、高层建筑、船舶、海流等的晃动测量；精密机械制造和超大集成规模电路的生产，为保证成品的精度，要求生产环境的振动位移限制在即微米到几百微米之间（1～10Hz），也就是说它的加速度g值在几μm/s²～百μm/s²之间，相当于10^-6g级的振动，对这种环境也需要微振动测试仪进行监测。
第二章压电式传感器
第一节压电式传感器工作原理
一压电效应
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使它变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应，如图2-1所示。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场（加电压）作用时，这些电解质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩），如图2-2所示。
具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。
图2-1图2-2
在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比即
Q=d33F（2-1）
式中d33—一压电常数。
二压电陶瓷
压电陶瓷在没有极化前不具有压电效应，是非压电体。
压电陶瓷经过极化处理后有非常大的压电常数。
压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即应力沿极化方向），则在这两个极化面上分别出现正负电荷，其电荷量Q与力F成正比，即
Q=d33F（2-2）
式中，d33为压电陶瓷的纵向压电常数。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，属铁电体一类的物质，具有类似铁磁材料磁畴结构的“电畴”结构。
电畴是压电材料内分子自发极化而形成的微小极化区域，有一定的极化方向，而存在一定电场。
在无外电场作用时，各电畴在晶体材料中无序排列，它们的自发极化效应相互抵消，陶瓷内极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。
当原始压电陶瓷材料在外电场作用下，其内部各磁畴的自发极化将发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料得到极化。
经极化处理（2～3h）后，撤销外电场，陶瓷材料内部仍存在很强的剩余极化。
当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，因此引起极化强度的变化，于是压电陶瓷便具有了压电效应。
图2-3
经极化后的压电陶瓷材料，由于存在剩余极化强度，这样在陶瓷片极化的两端就出现束缚电荷，一端为正电荷，一端为负电荷，如图2-4。
由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极表面上很快吸附了一层来自外界的自由电荷。
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片极化强度对外的作用，因此，陶瓷片对外不表现极性。
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，电畴发生偏转，片内正、负束缚电荷之间距离变小，极化强度也变小，因此，原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分释放而出现放电现象。
当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，片内正、负电荷之间距离变大，极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。
这种由于机械效应转变为电效应或者说由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。
放电电荷的多少与外力的大小成比例，即
Q=d33F（2-3）
图2-4
第二节压电加速度传感器原理
一工作原理
压电式加速度传感器又称压电加速度计，属于惯性式传感器。
它是利用某些物质的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压电式加速度传感器的结构原理图如图2-5所示：
图2-5
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，传感器与试件感受相同的振动。
由于弹簧的作用，质量块就有一正比与加速度的交变惯性力作用在压电片上，由于压电效应，压电片的两个表面上就产生交变电荷。
当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。
输出电量由传感器的输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度。
二压电式加速度计的灵敏度
压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度Ku（V·s²/m）和电荷灵敏度Kq（C·s²/m）两种表示方法。
前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。
Kq=Q/a（2-4）
Ku=Ua/a（2-5）
式中，Q为压电传感器输出电荷量（C），Ua为传感器的开路电压（V），
a为被测加速度（m/s²）。
压电陶瓷表面上受力后表面上产生的电荷Q=d33F，因为传感器质量块m在加速度a的作用下施加给压电元件的力F=ma（N）。
这样压电加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度可表示为：
Kq=d33m（2-6）
Ku=d33m/Ca（2-7）
由式（2-6）和（2-7）可知，压电式加速度传感器的灵敏度与压电材料的压电系数d33成正比，也与质量块的质量m成正比。
加速度单位为m/s²，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g=9.80665m/s²。
三PV—96型压电加速度传感器
在这里使用PV—96型压电加速度传感器进行测量，它的灵敏度为10000PC／g，也就是说在1g（g＝9．8M／s²）加速度的作用下，传感器能产生1万微库的电荷。
PV—96型压电传感器的性能如表2-1：
表2-1PV-96型压电传感器特性
电荷灵敏度
10000PC/g
静电容
6000pF
振动频率
0.1～100Hz
最高工作温度
200℃
绝缘电阻
>10GΩ
外壳材料
不锈钢
压电传感器的构造有压缩型、剪切型和弯曲型等。
PV—96型采取剪切型结构，它不受周围环境温度的影响，外型为圆柱体，重量较大。
它的等效电路是一个电荷源Q
和一个电容C
相并联。
第三章电路设计及计算
第一节压电传感器的等效电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。
而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为
（3-1）
式中
——极板面积；
——压电材料相对介电常数；
——真空介电常数；
——压电元件厚度。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无穷大）为
（3-2）
因此，压电式传感器可以等效为一个与电容并联的电荷源如图3-1所示，也可以等效为一个与电容串联的电压源，如图3-2所示。
图3-1图3-2
压电式传感器在测量时要与测量电路相连接，所以实际传感器就得考虑连接电缆电容Cc、放大器输入电阻Ri和输入电容Ci，以及压电式传感器的泄漏电阻Ra。
考虑这些因素后，压电式传感器的实际等效电路就如图3-3、3-4所示，它们的作用是等效的。
图3-3电压源图3-4电荷源
压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：
电压灵敏度Ku=Ua/F，它表示单位力所产生的电压；电荷灵敏度Kq=Q/F，它表示单位力所产生的电荷。
它们之间的关系是
Ku=Kq/Ca（3-3）
第二节电荷放大器
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分式电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换引起重新标定的麻烦，为此发展了便于远距离测量的电荷放大器。
这种放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。
其等效电路如图3-5所示。
若放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端a点的电位接近“地”电位。
由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此，放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即
Uo≈UCf=-Q/Cf（3-4）
式中，Uo为放大器输出电压；UCf为反馈电容两端电压。
由式可知，电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，
而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关。
图3-5
电式传感器与电荷放大器连接的等效电路（视压电元件泄漏电阻Ra和放大器输入电阻Ri很大，已略去其电路作用）如图3-6所示，由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf′为
Cf′=（1+A）Cf（3-5）
图3-6
设放大器输入电容为Ci，传感器内部电容为Ca，电缆电容为Cc，则放大器的输出电压为
Uo=-AQ/[Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf]（3-6）
当（1+A）Cf》（Ca+Cc+Ci）时，放大器输出电压为
Uo≈-Q/Cf（3-7）
当（1+A）Cf＞10（Ca+Cc+Ci）时，传感器的输出灵敏度就可以认为与电缆电容无关了。
在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测物理量的不同量程，以及后级放大器不致因输入信号太大而引起饱和，反馈电容Cf的容量是做成可调的，一般在100～10000pF范围之间。
为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，通常在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf（约10^8～10^10Ω），见图3-6，其功能是提供直流反馈。
在高频时，电路中各电阻（Ra、Ri、Rf）的值大于各电容的容抗，以上略去Ra、Ri和Rf讨论电路特性是符合实际情况的。
电荷放大器的频率响应上限主要取决于运算放大器的频率特性。
在低频时，Ra、Ri与1/jwCc、1/jwCi相比仍可忽略。
但Rf与1/jwCf相比就不能忽略了。
此时电荷放大器输出电压为
Uo=-jwQ/（1/Rf+jwCf）（3-8）
上式表明，输出电压Uo不仅与Q有关，而且与反馈网络的原件参数Cf、Rf和传感器信号频率w有关，Uo的幅值为
Uo=-wQ/[（1+Rf）²+w²Cf²]½（3-9）
由此可得，电荷放大器的3dB下限截止频率为
（3-10）
低频时，输出电压Uo与输入电荷Q之间的相位差为
φ=arctan[（1/Rf）/wCf]=arctan（1/wRfCf）（3-11）
在截止频率处φ=45°。
第三节测量电路
测量电路如图3-7所示。
图中的模拟测量电路由两级放大器组成。
IC1组成一个电荷放大器，它的输入为电荷，输出为电压，也是一个Q/V转换器。
IC1的输出为Vo1=-Qo/C1,传感器受到1g加速度的作用，则它产生的电压，理论值为Vo1=-10000×10^-12C/300×10^-12F=-33V（实际上，1g的加速度使运放的输出为饱和值Vs），即放大器IC1的灵敏度为
-33V/g=-33.7mV/gal（1gal=1/980g=1cm/s²）（3-11）
图3-7
电荷放大器的频率响应由反馈电容C1和反馈电阻R1确定。
其截止频率为
fo=1/
R1C1=0.053Hz（3-12）
在0.1Hz时，输出约下降1dB。
Rb为运放IC1的输入保护电阻，避免IC1的输入过高而损坏。
IC2是一个反相放大器，其闭环增益为
Af2=-（R4+RP1）/R2（3-13）
调整电位器RP1可使Af2=1.48，因此，IC2的输出灵敏度为
（-1.48）×（-33.7mV/gal）=50mV/gal（3-14）
近似为48.8V/g。
也就是说，当振动加速度为1/980g时，电路能输出50mV的电压。
本电路输出电压最大约6V，因此其最大测量值约为48.8/6=0.1g。
IC2是低功耗可编程运算放大器，为了降低噪声，可在8脚输入适当的电流Iset≈15μA。
在电路设计中，反馈电容应尽可能小。
微振动测试仪元件清单
名称
大小
个数
PV-96压电式陶瓷传感器
1
AD544L电荷放大器
1
μA776运算放大器
1
电缆线
若干
电阻
1MΩ
1
电阻
100k
2
电阻
10GΩ
1
电阻
150k
1
电阻
890k
1
电阻
130k
1
电阻
30k
1
电容
300p
1
电容
200p
1
电容
47μ
1
心得体会
这次的课程设计本来是让自己从那么多的题目中选一个自己想写的，后来班里有意按学号来，所以省去了我思考选哪个题目来做的时间。
我用了一个下午的时间先大致的搜了一下所需的资料，其实网上的资料并不多，只找到一个和微振动测试仪有关的。
所以，在第15周的周六，我就去图书馆借书了，在图书馆找了有三个小时，几乎把有关传感器的书都大致的翻了一遍，最后借了两本书，最后有用的只有一本。
16周周六的时候，我开始尝试着写，我又仔细地阅读了任务书，又翻了翻课本，把书上有用的压电效应、压电陶瓷的有关内容打出来。
然后停了下来，直到17周的周一，我才又开始写。
当我写完压电传感器和电荷放大器后，我忽然对我写的有了疑问，觉得自己写的有错误。
于是，我又仔细地阅读了课本和在图书馆借的那本能用到的书，经过仔细思考后，我把前面认为有错的地方改了过来。
又参考了在图书馆借的那本书，把测量电路那块写了写，写完后，我觉得跟网上搜的那份有点出入。
于是，我再次停了下来，又在网上搜了很长时间，看了很多资料，最后把思路又理了一遍。
然后，又把该删的删了，该加的加了，虽然觉得和设计的要求有点差异，但是我尽力了，不知道该怎样才能改的更好，所以就照自己想的把内容和思路定了下来。
然后的几天就是不停地对内容进行修改。
这次的课程设计，用的是第五章的内容，而这一章老师没有怎么讲，所以借这次机会，让我对这一章的知识又重新学习了一遍。
我对传感器又有了更深一步的认识，觉得传感器很实用，也挺有意思的。
参考文献
【1】《传感器与传感器技术》
作者：
何道清张禾谌海云
出版社：
科学出版社
出版日期：
2008年6月第二版
【2】《传感器及传感技术应用》
作者：
丁镇生
出版社：
电子工业出版社
出版时间：
1988年8月第一版
【3】《传感检测技术及应用》
作者：
张琳娜刘武表
出版社：
中国计量出版社
出版日期：
1999年12月第一版
【4】《检测技术》
作者：
于永芳郑仲民
出版社：
机械工业出版社
出版日期：
1996年5月第一版
【5】《传感器与检测技术》
作者：
陈杰黄鸿
出版社：
高等教育出版社
出版日期：
2002年8月第一版
附录
μA776管脚图及功能表如下所示：
管脚
功能
1
Offsetnull1
2
Invertinginput
3
Non-invertinginput
4
VCC¯
5
Offsetnull2
6
Output
7
VCC+
8
Iset
升级会员 