测试技术课程设计 eg.docx
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测试技术课程设计eg
测试技术课程设计
设计题目：
压电式加速度传感器测加速度
专业：
应用物理专业
学号：
3100831002
班级：
应物101
学生：
王兵
指导教师：
屈光辉
2011
年
秋季
学期
1
压电晶体传感器测量加速度的研究
摘要
运动是绝对的，静止是相对的。
日常生活中我们每时每刻都要和运动打交道。
因此与之相关的加速度的测量和研究也就显得尤为重要。
所以，得到一种简便，可靠又经济的加速度测量器对我们的生活就显得格外重要。
本文基于压电晶体的压电效应，传感器的设计与应用，牛顿运动定律及电子技术等相关知识展开研究并最终完成加速度的测量。
整个检测系统共包括三大部分，具体简述如下：
1.信号拾取元件：
基于压电晶体的压电效应，又因为压电效应产生的电量（或信号）比较微弱。
因此，采用不同极性的粘贴方法将两片压电片连接，并且将其与相应的元件组合，利用牛顿运动定律将物体加速度（运动量）的测量转换为压电晶体表面的电荷或电压（电学量）的测量。
2.检测与转换元件：
在第一阶段（信号拾取阶段）采用不同极性粘贴的方法可以获得比单片大一倍的电量。
因此，在此采用电荷放大器用来检测和放大已有信号。
3.信号输出与显示元件：
将放大的电信号通过一定的元件并做相应的处理，使得最终以加速度的数据输出显示。
摘要……………………………………………………………………………………………i
1.压电式传感器基本原理…………………………………………………………………1
1.1压电现象及其常见的压电材料……………………………………………………1
1.2压电效应的基本原理………………………………………………………………3
1.3压电元件的结构形式………………………………………………………………4
1.4压电式加速度传感器的基本结构及其原理………………………………………5
2.压电式传感器信号的测量与显示………………………………………………………6
2.1压电式传感器的等效电路…………………………………………………………6
2.2压电式传感器的测量电路…………………………………………………………7
2.3压电式加速度传感器的灵敏度分析………………………………………………8
2.4信号的输出与显示…………………………………………………………………8
参考文献…………………………………………………………………………………………9
1压电式传感器基本原理
1.1压电现象及其常见的压电材料
某些电介质（晶体），当沿着一定方向施加力时，内部会产生极化现象，同时在它的两个表面会产生电性相反的极化电荷，当去掉外力时，极化现象会消失，这种现象就是压电现象，而当外力反向时，每个表面产生的极化电荷电性也会改变。
当在介质的极化方向施加电场时，电介质会发上形变，这种现象叫做“逆压电现象”
电能
机械能
压电元件
压电元件
图1.1-1压电效应能量转换图
“压电现象”可以将机械能转化为电能，而“逆压电现象”是将电能转化为机械能，整个能量转化关系如（图1.1-1）所示：
自然界许多晶体都具有压电效应，而常见的压电现象比较明显的有石英晶体，钛酸钡等。
压电材料又可划分为许多种类型：
压电晶体，压电陶瓷，高分子乙稀，半导体等。
但是生活中比较常见的就是压电晶体和压电陶瓷，现简介如下：
石英晶体
石英晶体主要分为天然石英晶体和和人工石英晶体，都属于单晶体，外形结构呈六面体，具有各向异性。
晶体结构图如下（图1.1-2）所示。
低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。
石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。
纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。
石英具有强烈的压电性，即用力敲打时会产生火花，这也就是钻石取火的方法。
图1.1-2石英晶体结构图
压电陶瓷
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料，是一种具有压电效应的材料。
压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声呐系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。
地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。
压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。
图1.1-3压电晶体极化过程图
未极化极化极化后
压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对压电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。
整个极化过程如（图1.1-3）所示。
晶体极化前，每个自发形成的小区域都有一定的极化方向，从而存在一定的电场。
自然情况下，各个电场的方向都杂乱无章，因此对外不显电性，进而不会产生压电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定的条件下对其进行极化处理（一般极化电场为3～5kV/mm，温度100～150°C,时间5～20min。
这三者是影响极化效果的主要因素），给压电陶瓷施加外加电场使电畴规则排布，进而具有压电效应。
而且外加电场的方向是压电陶瓷的极化方向。
在外加电场的作用下，电畴的极化方向发生移动，所有电畴趋于外电场的方向排布。
当外电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向不变，压电陶瓷的极化强度不再为零。
此时如果受到一定条件的应力就会产生压电现象。
1.2压电效应的基本原理
图1.2-2按特定方向的切片
图1.2-1石英晶体的晶轴
从晶体结构方面研究，晶体缺乏中心对称是压电现象的主要原因。
现以石英晶体为例简述压电效应的基本原理及其相关性质。
如（图1.2-1）所示，为石英晶体切割方向和各轴向示意图，x为电轴，y为机械轴，z为光轴。
从石英晶体上沿轴向切线切下的一片平行六面体晶体称为压电晶片，如（图1.2-2）所示。
石英晶体按特定方向切片后，沿x轴的力作用时产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；沿y轴向的压电效应为“横向压电效应”；沿z轴向不会产生压电效应。
压电元件受力后，表面电荷与外力成如下关系：
（1.2-1）
公式中的
为压电系数，
为外作用力。
当压电晶体受到
轴向的压力
时，在垂直于x轴向的轴面上会产生电荷，其大小为：
（1.2-2）
公式中
，是x轴方向的应力，
是x轴向压电系数。
同一晶体，当受到y轴向压力
时，仍然会在垂直x轴向的表面上产生电荷，只是电荷极性相反，而且电荷与外力成如下关系：
（1.2-3）
公式中，
为y轴方向的应力，
为y轴方向的压电系数，a和b分别为晶体切片的长度和厚度。
晶体的压电常数都为常系数，根据石英晶体的轴对称条件，x和y方向的压电系数具有如下关系：
（1.2-4）
1.3压电元件的结构形式
实际中，为了提高压电元件的灵敏度，使压电信号更容易检测或测量，通常将多片压电晶片组合起来使用。
然而由于电荷的极性存在，因此有两种连接方式。
分别为串联和并联方法。
并联方法
图1.3-1并联方法
如（图1.3-1）所示，为电路连接方式。
两个压电片受到的形变性质相反，这种连接方式相当于两个电容并联，这样电容和电荷量就会增长一倍，这种条件下的电容,电荷，电压可分别表示如下：
；
；
由于并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。
串联方法
如（图1.3-2）所示，为电路连接方式。
两个压电片的形变性质也相反，此种连接方式相当于两个电容串联，这样就会使得电容在数值上缩小一倍，电压变为原来的两倍。
这种方式的连接下电容，电荷，电压可分别表示为：
图1.3-2串联方法
;
;
由于串联接法输出电压大，本身电容小。
适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
实际条件下，为了改变机电耦合性能，两压电片之间用导电胶连接起来，而且会采用金属薄片胶合在一起。
1.4压电式加速度传感器的基本结构及其原理
图1.4-1压电式加速度传感器结构图
重物
压电片Q’
压电片Q
轻质薄片
基座
弹簧
外壳
压电式加速度传感器的基本结构简图如（图1.4-1）所示，一共包含七个主要部分，分别为：
两个压电片，两个轻质薄片，外壳，一个重物，两个劲度系数比较大的弹簧，以及一个质量比较大的基座等基本部件组合而成。
图中，上边的压电片记为压电片Q′，下边的压电片记为压电片Q。
分别用来感受上下两个压电片受到轻质薄片的均匀压力。
外壳用来保护器件内部元件。
轻质薄片不计质量，只是起到将弹簧的点压力转换成对压电片的面压力的作用。
并且采用劲度系数较大，质量相对比较小的弹簧，而且始终在这里能保证两个压电片都保持一定量的压缩状态。
重物采用质量较大的物体，用来感受加速度。
基座起到固定整个装置的作用，而且具有一定的保护作用。
假设存在加速度
，方向向上。
此时重物的受力如（图1.4-2）所示，由牛顿第二定律得：
（1.4-1）
式中F2为上面弹簧的作用力，F1为下面弹簧的作用力。
现在再对两个轻质薄板做受力分析得到（图1.4-3）并且得到：
F2
图1.4-2重物受力图
F1
mg
a
；
（1.4-2）
式中F′为上压电片给上薄板得压力，F为下压电片给薄板得压力。
又：
；
（1.4-3）
再由压电片的性质知：
图1.4-3薄片受力图
F4
F′
F
F3
；
（1.4-4）
选用性质相同的两个压电片则有：
综合以上各式得：
（1.4-5）
式中
为压电片得压电系数，
为重物质量，
为来自下面压电片得信号，
为来自上面压电片的信号，
为重力加速度。
2压电式传感器信号的测量与显示
2.1压电式传感器的等效电路
压电式传感器的压电元件在受到外力的作用时，会在一个电极表面聚集正电荷，在另一个表面聚集负电荷，因此压电式加速度传感器可以看成是一个电荷发生器或者是一个电容器。
若已知压电片的面积是S，压电片厚度是b，压电材料的相对介电常数为
，等效电容器的电容值是：
（2.1-1）
压电元件两侧电路的开路电压可等效为一电压源与电容串联，或等效为一电荷源和电容并联。
电容上的电压U，电荷Q与等效电容Ca三者关系为：
（2.1-2）
压电元件作为压力传感器使用时，有两种等效电路形式。
在实际应用中，考虑到连接电缆的等效电容
前置放大器输入电阻
，输入电容
以及传感器泄露电阻
得影响。
可以得到（图2.1-1）得两种等效电路。
a）等效电压源
Ca
U
Ci
Ri
Cc
Ra
Q
Ci
Ri
Cc
Ra
Ca
b）等效电荷源
图2.1-1压电传感器等效电路图
在本文中由于在传感器的基本原理中选用的是两个压电片并联的方式，因此在本文中选用等效电荷源电路。
图2.2-1压电传感器测量电路
R1
Cf
C3
ε
R3
uo
R1
C2
Q′
Q
R1
R2
R1
Cf
2.2压电式传感器的测量电路
由公式（1.4-5）可以看出：
加速度与
成正比，所以在这里选用等效电荷源，并且采用差动式放大输出。
电路的原理图如（图2.2-1）所示。
图中，Q和Q＇为两个信号输入端，R1，R2，R3，C2，Cf，C3都为已知值，ε为直流电源，uo为信号输出端。
图中采用双点反馈电路，即同时应用了负反馈，又利用倒相后得输出向正输入端得反馈。
因此具有如下优点：
增益基本上不受从每个信号输入线到公共地线得电容平衡值得影响，可与对地绝缘的差动式对称输出压电传感器连用，仅感受传感器的差动输入电荷信号，并将其转化为低阻电压信号，具有抑制共模电压干扰信号的能力，并可以把杂散电磁场和电缆噪声的影响减至最低。
差动电荷放大器得输入-输出特性可以表示为：
（2.2-1）
对比其加速度的基本表达式（1.4-5）可得：
；
（2.2-2）
并且图中的电源应该满足条件：
这样就可以使输出端的信号为：
（2.2-3）
从上式中可以看出：
加速度的输出量的放大倍数和md成反比，又因为通常情况下m是固定值，所以应选择d较小的材料，但是d又会影响系统的灵敏度，所以应该综合考虑，选择最佳材料。
2.3压电式加速度传感器的灵敏度分析
对压电式加速度传感器的输出表达式（1.4-5）式子两边同时对a取微分得到：
，现在将灵敏度定义为
，所以可以得到：
（2.3-1）
由此可见，传感器的灵敏度和m，d都成正比，由因为重物质量一般不会太大，所以通常情况下应将压电系数选的比较大，又因为放大器的放大倍数和md成反比，所以md的值又不能选的很大，所以实际应用时应该综合考虑，选择最佳值。
2.4信号的输出与显示
因为信号在经过测量电路的处理后已经成为电压量，所以可以选用适当的电压表直接输出。
参考文献
[1]李科杰等编著.现代传感技术.第一版.北京:
电子工业出版社,2005:
87.
[2]叶湘滨，熊飞丽，张文娜，罗武胜等编著.传感器与测试技术.第一版.北京：
国防工业出版社，2007：
166.
[3]吴建平编著.传感器原理及应用.第一版.北京：
机械工业出版社，2011:
103.
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