传感器课程设计Word文档格式.doc
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一、设计要求
1、功能与用途
加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如手提电脑的硬盘抗摔保护，另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，自动调节相机的聚焦。
而这些产品中由于要求对温度的干扰有很大的免疫力，其中采用的都是压电式加速度传感器。
压电加速度传感器还应用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面，灵敏度是压电加速度传感器应用时候要考虑到的重要因素之一。
概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；
鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
2、指标要求
分别用压电式传感器、电阻应变式传感器、电容传感器实现加速度的测量将非电量转化为电量输出。
二、设计方案及其特点
依据压电效应、电阻应变效应以电容相关的物理参数及性质随外力而变化的特性，可制作成压电式加速度传感器、电阻应变式加速度传感器及电容式加速度传感器。
三种加速度传感器的设计及特点分别叙述如下：
1、方案一压电式加速度传感器
A/D转换电路
压电加速度测量系统结构框图如图1所示：
信号处理电路
电荷放大器
压电加速度
传感器
图1压电加速度测量系统结构框图
压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件,是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
这些压电材料,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷;
当外力去掉后,又重新恢复不带电的状态;
当作用力的方向改变时,电荷的极性也随着改变。
电信号经前置放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷（电压）大小,从而得出物体的加速度
图2压电式加速度计的幅频特性曲线
加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图2。
方案二电阻应变式加速度传感器
应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。
其基本工作原理是：
物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。
图3应变式加速度传感器结构
图3中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。
等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4。
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。
电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。
2、方案三电容式加速度传感器
电容加速度测量系统结构框图如图4所示：
图4电容加速度测量系统结构框图
测量振动体相对于大地或惯性空间的运动，通常采用惯性式测振传感器。
惯性式测振传感器种类很多，用途广泛。
加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，其中电容式加速度传感器具有测量精度高，输出稳定，温度漂移小等优点。
而电容式加速度传感器实际上是变极距差动电容式位移传感器配接“m-k-c”系统构成的。
其测量原理是利用惯性质量块在外加速度的作用下与被检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度的。
三、加速度传感器工作原理
1、压电式加速度传感器
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状（这是一个膨胀过程），片内的正、负电荷之间的距离变大，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。
这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
Y压电陶瓷力与电荷之间的关系式：
（1）式中：
——压电陶瓷的压电系数；
F——作用力。
当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。
设质量块作用于压电元件的力为，支座作用于压电元件的力为，则有
（2）
式中M为质量块质量;
m为晶片质量;
a为物体振动加速度。
2、电阻应变式加速度传感器
导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。
导体或半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体的电阻（5）与电阻率及其几何尺寸有关，当导体或半导体受到外力作用时，这三者都会发生变化，从而引起电阻的变化。
外界作用力与加速度成正比，由此可测得加速度的大小。
当金属丝受拉力作用时,,相应变化为,,，因而引起电阻变化为。
对（5）式全微分可得:
（6）
两边同除以，把，带入的电阻相对变化量为：
（7）
由材料力学可知轴向应变和径向应变的关系可表示为:
（8）
综合上式得:
（9）
灵敏度：
（10）
Ks称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。
显然，Ks越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。
半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：
（11）
（12）
用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。
当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为
（13）
由此可知加速度正比于应力，应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。
这就是利用应变片测量的基本原理。
2、电容式加速度传感器
由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，其电容量为：
（14）
式中:
ε——电容极板间介质的介电常数，，其中为真空介电常数，极板间介质的相对介电常数；
A——两平行板所覆盖的面积；
d——两平行板之间的距离。
四、电路设计和参数计算
1、压电式
压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图6所示。
图6压电传感器在测量系统中的实际等效电路
图中,为运算放大器增益。
根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为
（15）
式中为反馈电容。
将代入式（15）得
（16）若放大器开环增益足够大,满足>
>
时,式（16）可表示为（17）
由式（17）可知，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此,并且与电缆分布电容无关。
2、电阻应变式
电阻应变式传感器在测量系统中的实际等效电路如图7所示。
图7电阻应变式传感器在测量系统中的实际等效电路
第一桥臂R1为应变片，当受应变时，若应变片电阻变化为，其它桥臂固定不变，电桥输出电压，则电桥不平衡，输出电压为：
3、电容应变式
电容式传感器在测量系统中的实际等效电路如图8所示。
图8压电传感器在测量系统中的实际等效电路
如图8所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。
电桥的空载输出电压为（21）对变极距型电容传感器，代入上式得
（22）
电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低时，容抗更高。
因此应选用绝缘性能很好的陶瓷、石英、聚四氟乙烯等材料作为两极板之间的支架，可大大提高两极板之间的漏电组。
当然，适当的提高激励电源的频率也可以降低对材料绝缘性能的要求。
五、总结
压电加速度传感器是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器,当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生,从而实现加速度的测量。
压电加速度测量系统的优点是量程大,体积小,质量轻,结构简单;
且系统中增加了温度补偿,解决了普通压电加速度传感器受温度影响大的缺点,提高了它的性能和可靠性,可广泛应用于各种动态力、机械冲击与振动等测量领域,具有良好的开发前景与应用价值。
电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。
电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量，温度稳定性以及动态响应性好；
但其容量受其电极的几何尺寸等限制，使传感器的输出阻抗很高，因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，必须采取屏蔽措施，这就对电容测量电路提出了更高的要求。
随着科学技术的迅猛发展,非物理量的测试与控制技术,已越来越广泛地应用于生产生活的各个技术领域。
目前,越来越多的新型传感器出现在我们的生活中,传感器的发展前景真是潜力无穷。
参考文献
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高等教育出版社，1999
[2]谢文和.传感技术及其应用[M].北京：
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北航出版社，2004
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清华大学出版社
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