任务四振动报警电路的设计和制作

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1、 一、任务描述利用压电振动传感器设计当受到振动后该电路能发出可持续时间为1 min左右的报警声响。二、任务目标（1）了解压电式传感器的工作原理。（2）掌握压电式传感器的测量转换电路。（3能够运用压电式传感器进行电路的设计。三、知识链接（一）压电式传感器的工作原理压电式传感器从词义上理解就应该是受压产生电信号的一类传感器。 它属于一种物性型传感器。利用一种特殊材料的固态物理特性及效应 实现非电量转换的传感器。压电式传感器是一种典型的有源器件，无需外界供电，自己能够产生 电，也叫自发式传感器。它具有体积小、质量轻、工作频带宽等特点，用于各种动态力、机械 冲击与振动的测量，并在声学、医学、力学、宇航

2、等方面得到了非常 广泛的应用。压电式传感器的原理就是基于某些介质材料的压电效应制成的。 1 压电效应当某些电介质沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极 化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉 后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。z!当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。相反，在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应 2压电材料(电致伸缩效应)。在自然界中，大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着 对材料的深入研究，发现石英晶体.钦酸U错钦酸铅等材料是性能 优良的压电材料。因此常见的压电材料主要有压电晶体

3、和压电陶瓷及 一些高分子材料。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几 个方面。(1)转换性能。具有较高的祸合系数或具有较大的压电常数。 (2)力学性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械 刚度大。以期获得较宽的线性范围和较高的固有振动频率。 (3)电性能。希望具有高的电阻率和大的介电常数，用来减弱外部分 布电容的影响，并获得良好的低频特性。 (4)温度和湿度稳定性要好。具有较高的居里点，以期望得到较宽的 工作温度范围。 (5)时间稳定性。压电特性不随时间蜕变。 3石英晶体的压电效应石英品体所以具有压电效应，是与它的内部结构分不开的。组成石英 品体的硅离子Si和

4、氧离子02在平面投影，如图V49(a)所示。为讨 论方便，将这些硅.氧离子等效为图V49(b)中六边形排列，图中 “”代表Si,“”代表02-。石英结品是一个正六面体，在品体学中它可以根互相垂直的轴来表 示。其中，纵向轴ZZ称为光轴;经过正六面体棱线，并垂直于光电轴 的*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”； 而把沿机械轴YY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ZZ方向受力则不产生压电效应。图150所示为 石英品体的外形。 (1)纵向压电效应。当沿电轴方向施力Fx，在垂直于电轴的平面上产生电荷。在品体的线 性弹性范围内，电荷量与力成正比，可表示为

5、Qxx= dxxFx式中Qxx垂直于X轴平面上的电荷； dxL压电系数，下标的意义为产生电荷的向的轴间及施加作用 力的轴向。 Fx沿品轴X方向施加的压力。因此当品片受到X向的压力作用时，Qxx与作用力Fx成正比，而与品 片的几何尺寸无关。 (2)横向压电效应。如果沿Y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与X轴垂直的平面上，其横向 压电效应产生的电祷另a 式中Qxy丫轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生的电荷； dxv压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电 荷时的压电系数； Fy沿品轴Y方向施加的压力。根据石英品体的对称条件dXY= dxx,因此有由此可以看出，沿机械轴方向向品片施加压力时，

6、产生的电荷是与几 何尺寸有关，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加 压力所产生的电荷极性是相反的。当石英品片沿X轴受压力或拉力时，电荷产生的极性变化如图上51(a), (b)所示，当石英品体沿Y轴作用于压力或拉力时，电荷产生的极性变 化如图上51(c),(d)所示。 4压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经极化处理后的电体。材料内部的品粒由许多自发极 化的“电畴”组成，每一个电畴具有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在品体中杂乱分布，分布如图52(a)所示， 它们各自的极化效应被相互抵消，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。在外力电场的

7、作用下，电畴 的极化方向发生转动，趋向于按外力电场的方向排列，从而使材料得 到极化，如图仁52(b)所示。极化处理后陶瓷内部仍存在很强的剩余 极化强度，如图2(c)所示。因此对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴。当压电陶瓷在沿极 5高分子压电材料(PVDF)随着科技的发展，不断出现一些新型的压电材料。20世纪70年代出 现了半导体压电材料，如硫化锌(ZnS)锈化钻(CdTe)等，因其既具 有压电特性，又具有半导体特性，故其既可用于压电传感器，又可用 于制作电子器件，从而研制成新型集成压电传感器测试系统;近年来 研制成功的有机高分子化合物，因其质轻柔软、抗拉强度较高、蠕变 小、耐冲击等特点，可

8、制成大面积压电元件。为提高其压电性能，还 可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2-PZT)。 PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电品体的迟滞特性和热 释电特性.因此广泛应用于压力、加速度、温度.声咅和无损检测等。 PVDF有很好的柔性和加上性能，可制成具有不同厚度和形状各异的 大面积有挠性的膜，适宜做大面积的传感阵列器件。这种元件耐冲击. 不易破碎.稳定性好.频带宽。(二)压电式传感器测量电路 1压电元件的等效电路当压电传感器中的压电品体承受被测机械应力的作用时，在它的两个 极面上出现等值极性相反的电荷。可把压电传感器看成一个两极板上 聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，当两

9、极板聚集一定电荷时， 两极板就呈现一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和 一个电容Ca的并联电路，如图54(a)所示;也可等效为一个电压源 和一个电容Ca的串联电路，如图54(b)所示。传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器 受力后产生的电压或电荷才能长期保存;否则电路将以某时间常数按 指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然 带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可 能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补 充。因此，压电品体不适合于静态测量。如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连线的等

10、效电 容，还必须考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ru和输入电容Cu以 及传感器的泄漏电阻爲。其等效电荷源如图55(a)所示，等效电压 源如图55(b)所示。D 2 压电式传感器的测量电路压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电 路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放 大器也有两种形式， (1)电压放大器。电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低 阻抗输Hb并将微弱的屯压信号进行适当放大。因此，也把这种测量 电路称

11、为阻抗变换器，如图156所示。串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容 量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时, 要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。 (2)电荷放大器电荷放大器是另一种专用的前置放大器，是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如-57(a)所示。由于放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有电流，故可略去凤，冃并联电阻的影响, 等效电路如图1-57(b)所示。在实际应用中，由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏 度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更 换会引起重新标定的麻烦

12、，因此对于电荷放大器，它既便于远距离测 量，又是目前己被公认是一种较好的冲击测量放大器。 3压电片的连接方式在实际应用中，单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感 器的输出灵敏度，常釆用两片(或两片以上)同型号的压电元件载接在从作用力来看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的 变形和电荷数量大小都与单片时相同。压电片常见的链接方式主要有 并联连接和串联连接两种。连接方式如图1-58(a)所示。从电路上看，这是并联接法，类似两个 电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量qc=2q增加了 1 倍，G=2C电容量也增加了 1倍，输出电压与单片时相同，即而由图仁58(b)所示的电

13、路上看是串联的，两压电片中间载接处正负 电荷中和，下极板的电荷量二q与单片时相同，总电容量U =C/2为单片的一半，输出电压U4 =2U增大了 1倍。比较两种接法，并联接法输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变 信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。而串联接法，输岀电压 大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号且测量电路输入阻抗很 高的场合。 4压电式传感器的应用压电式传感器可以广泛应用于力以及可以转换为力的物理量的测量, 如可以制成测力传感器.加速度传感器.金属切削力测量传感器等, 也可制成玻璃破碎报警器，广泛用于文物保管、贵重商品保管等。 (1)压电式传感器单向测力传感器。单向测力传感器主要由石英品片.绝缘套、电极.上盖及基座等组成, 如图仁59所示。传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5 mm,当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英品片上。 (2)压电式加速度传感器。压电式加速度传感器结构如图160所示。它的结构主要由弹簧.壳体、 质量块.压电片及基座等组成。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力的作用根据牛顿第二定律，此惯 性力是加速度的函数，即：F=ma(1 -54)1-4结7(c)(d)直流电场二剩余极化强气(a)b)(c) i ZXi反冋/一 冋(a)(b)/ 卜1图159压电式传感器单”向测力传感器/- 返冋返冋