加速度测量仪设计制作

加速度测量仪设计制作第一页，共33页。

1项目描述设计一种加速度测量仪实现对各种振动和冲击进行监测。1.1任务要求1.以压电传感器为传感元件；2.对于加速度的不同能够有明显区别的不同提示，可酌情加分；3.当加速度到达低于或高于一定阈值时能够发出声光报警，可酌情加分；4.鼓励采用单片机为控制单元，可酌情加分；5.最终上交调试成功的试验系统—加速度检测仪；6.要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、使用说明、元件清单、进程表、调试过程描述等。第二页，共33页。

1.2相关知识点分析本项目单元主要讲述压电传感器的各项知识。具体知识点如下：1.掌握压电传感器的工作原理；2.了解各种压电材料及特性；3.了解压电传感器的产生机理；4.理解压电元件的结构形式；5.掌握压电传感器的等效电路及测量电路；6.了解压电传感器的各种应用；7.了解振动的测量及频谱分析；第三页，共33页。

2相关知识2.1压电式传感器的理论基础压电效应

某些电介质物体在沿一定方向受到外力的作用而发生变形，其内部就会产生极化现象，并且在其表面上产生电荷，当外力撤销后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。简称压电效应。反之，在电介质的极化方向施加电场或电压时，这些电介质将产生几何形变，当撤销外加的电场电压后，电介质的形变也随之消失，这种现象称为逆压电效应。压电材料的压电特性常用压电方程来描述：

Q=dF（6-1）式中Q-----为产生的电荷

d——压电常数。

F------为在晶体的弹性限度内施加的外力第四页，共33页。2.2压电材料的分类及特性压电式传感器中的压电元件材料主要有三类：压电晶体（单晶体）：它包括压电石英晶体和其它压电单晶；经过极化处理的压电陶瓷（多晶体），也称为晶半导瓷，为极化处理的多晶体；新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。第五页，共33页。1.石英晶体石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。突出的优点是性能非常稳定。石英晶体的主要性能特点：①压电常数小（d＝2.31×10-12C／N），其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为2.15106/℃；②强度和品质因数高，许用应力高达（6.8~9.8）×107Pa。且刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好；③居里点高，达到573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。石英是理想的压电传感器的压电材料。石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。第六页，共33页。2.压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷四大类。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器。而且制造成本较低，因此，目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。3.高分子压电材料高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF2和PVDF的压电常数最高。第七页，共33页。4.压电材料的主要特性参数①压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件输出灵敏度。②弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。③介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容特性与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。第八页，共33页。5.压电效应产生的机理

（a）（b）（c）（d）图6-1石英晶体外形与切片第九页，共33页。为了直观地了解石英晶体的压电效应，将构成石英晶体的硅离子和氧离子在垂直于z轴的xy平面上投影，则等效为一个正六边形排列。矩形晶体上受力与产生电荷的关系是：若沿X轴施加压力Fx，则在与

x轴垂直的平面（加压的两表面）上分别出现正负电荷；若沿Y轴施加压力Fy，则在加压的两表面上不出现电荷，电荷仍然出现在与

x轴垂直的平面上，只是电荷符号相反。若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与施加压力时相同，仍然出现在与

x轴垂直的平面上，但电荷的符号与施加压力时相反。当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法来考虑。通常把沿电轴

X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；把沿机械轴

Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应，沿光轴

Z方向受力时不产生压电效应。第十页，共33页。

图6.3受力形变示意图如果在x轴方向施加拉力，体沿x方向将产生拉伸变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图6-3（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，P1的增加，P2、P3的减小，，在x轴正向呈负电荷，在x轴负向呈正电荷。第十一页，共33页。综上所述：矩形晶体上受力与产生电荷的关系是：若沿X轴施加压力Fx，则在与

x轴垂直的平面（加压的两表面）上分别出现正负电荷；若沿Y轴施加压力Fy，则在加压的两表面上不出现电荷，电荷仍然出现在与

x轴垂直的平面上，只是电荷符号相反。若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与施加压力时相同，仍然出现在与

x轴垂直的平面上，但电荷的符号与施加压力时相反。当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法来考虑。通常把沿电轴

X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；把沿机械轴

Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。沿光轴

Z方向受力时不产生压电效应。第十二页，共33页。压电陶瓷压电效应产生的机理:压电陶瓷是人工制造的多晶体（无数微细的单晶组成）压电材料。其压电效应产生的机理与石英不同。压电陶瓷内部有许多自发极化的电畴，它们具有一定的极化方向，从而存在电场。极化处理以前，各电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质,如图6.4（a）所示。压电陶瓷必须经过极化处理后才具有压电效应。图6.4压电陶瓷极化第十三页，共33页。6.压电元件常用的结构形式(1)压电元件的基本变形压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图6.6所示。图6.6厚度变形(TE);(b)长度变形(LE)；(c)体积变形(VE)；面切变形(FS)；(e)剪切变形(TS)第十四页，共33页。(2)压电元件的结构形式压电元件的接法有并联和串联两种并联连接式压电传感器的输出电容和极板上的电荷分别为单块晶体片的2倍，而输出电压与单片上的电压相等。即:

串联时，输出总电荷Q等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为单片的1/2。即第十五页，共33页。图6.7压电元件的并联和串联并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法虽然输出电压高，本身电容小，故适宜用于以电压作为输出信号、且测量电路输入阻抗很高的情况。

第十六页，共33页。(3)压电材料选择作为压电材料首先应具有较大的压电常数

d，有利于机—电性能的转换。其次，压电元件作为受力元件，希望它的强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。第三，希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响和减小电荷泄漏并获得良好的低频特性。第四，温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围。第五，时间稳定性要好，压电特性不随时间蜕变。第十七页，共33页。

2.3等效电路和测量电路1.压电式传感器的等效电路晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的压电材料作为绝缘体介质，其电容量为

（6-2）S——极板面积（压电片面积）；h——压电片厚度；r——压电材料的相对介电常数；0——真空介电常数，0＝8.85×1012F/m两极板间的开路电压为

（6-3）图6.8压电传感器的等效电路图第十八页，共33页。压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci，及压电式传感器的泄漏电阻Ra，这样，在测量系统中，压电传感器的实际等效电路如图6.9所示:

图6.9压电传感器的实际等效电路图第十九页，共33页。2.压电式传感器的测量电路图6.10电荷放大器a）电路b）外形1－压电传感器2－屏蔽电缆线3－分布电容4－电荷放大器SC－灵敏度选择开关SR－带宽选择开关Cf´－Cf在放大器输入端的密勒等效电容Cf″－Cf在放大器输出端的密勒等效电容第二十页，共33页。3.压电式传感器的应用

(1)压电式测力传感器:压电式测力传感器在直接测量拉力或压力时，通常多采用双片或多片石英晶体作压电元件。按测力状态分为单向力、双向力和三向力传感器。图6.11压电式测力传感器第二十一页，共33页。(2)压电式加速度传感器压电式加速度传感器是一种最常用的加速度计。图6.12是一种压电式加速度传感器的结构原理图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。

图6.12压电式加速度传感器第二十二页，共33页。(3)压电式金属加工切削力测量图6.13是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。图6.13压电式刀具切削力测量示意图第二十三页，共33页。(4)压电式报警器

BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

使用时把传感器贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，

这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。第二十四页，共33页。4振动测量及频谱分析(1)振动的基本概念(2)测振传感器分类(3)压电式振动加速度传感器的结构(4)压电振动加速度传感器的性能指标灵敏度K频率范围动态范围第二十五页，共33页。(5)振动的频谱分析时域图形

纵坐标为输入信号，横坐标为时间轴，称为时域图。频域图形

如果将时域图经过快速傅里叶变换（FFT），就能在计算机显示器上显示出另一种坐标图，它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。专门用于测量和显示频谱图的仪器称为频谱仪。

第二十六页，共33页。依靠频谱分析法进行故障诊断

从频谱仪得到的频域图（又称频谱图，见图6-15b）中可以清楚地看到，活塞的振动是由5Hz和10Hz等多个振动分量合成的。10Hz的幅值大约是5Hz幅