一微振动测试仪设计要求-Read.DOC

一 微振动测试仪设计要求 采用压电式传感器 灵敏度50mv/gal 由电路压电式传感器，电荷放大器，运算放大器等组成 工作原理图附系统图一张 二 总体设计方案 微振动测试仪的设计主要组成部分压电式传感器，用于信息的采集；在本设计方案里选择压电陶瓷传感器做为压电式传感器。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，信号的放大通常有两种：电压放大和电荷放大。这里考虑避免接入电容的影响，所以采用电荷放大。除了电荷放大，还要再一次对信号进行放大，这里采用运算放大器和一定的电路组成。把最终信号传输给显示器就可以得到微振动的多组数据结果，就可以得到被测物体的每刻状态。 三 总体工作电路原理图 （一）电式传感器的工作原理 1、压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时部会产生极化现象，同时么其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态．这种现象称为压电效应 。反之，在电介质的极化方向上施加交变电场或电压、它会产生机械变形；当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)例如音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。 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=dF 式中 d—一压电常数。 自然界中与压电效应有关的现象很多*例如在敦煌的鸣沙丘．当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙厅上柠下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声；产生这个现象的原因是无数干燥的沙子(siO2晶体)在重压下表面产个电荷。在某——时刻，形成电压串联，产生很高的电压。并通过空气放电而发出声音。 2、压电材料的分类及特性 压电式传感器中的压电元件件材料一般有三类：一类是压电晶体(单晶体)；第二类是经过极化处理的压电陶瓷(多晶体)；第三类是高分子压电材料。这里我们主要介绍第二类。 (二) 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料．它由无数细微的电畴组成j这些电畴实际上是分子自发极化的小区域 在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布．它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的在电陶瓷呈中性，不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度．当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。 压电陶瓷制造工艺成熟，通过改变配方或掺杂微量元素可使材料的技术件能有较大改变，以适应各种要求 它还具有良好的工艺性．可以方便地加工成各种需要的形状，在通常情况下，它比石英品体的比电系数高得多，而制造成本较低，因此日前冈内外压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。 常用的压电陶资材料主要有以下几种： (1)锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅压电陶瓷是由钛酸铅和铁酸铅组成的固熔休。它有较高的压电常数[d—(200—500)*10-12c/n]和居里点(500c左右)，是目前经常采用的一种压电材料。在上述材料小加入微量的镧(La)、铌(Nb)或睇(Sb)等，可以得到不同性能的PZT材料。PzT足工业中应用较多的压电陶瓷。 (2)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) 铌镁酸铅压电陶瓷具有较高的压电常数{dll＝ (800一900)x10-12C／n}和居里点(260C’)，它能在压力大至70MPa时正常工作。因此可作为高压下的力传感器。目前还有一些铌酸盐(如铌酸锂)具有很高的居里点，可作为高温压电传感器。 （3） 使用Pv—96型压电加速度传感器进行测量，它的灵敏度为100OPC／g，也就是说在1g(g＝9．8M／s*s)加速度的作用下，传感器能产生一万微库的电荷o Pv—96型压电传感器的性能如表7—4： 四 单元电路的具体设计 压电陶瓷传感器的等效电路 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 式中 S——极板面积； ——压电材料相对介电常数； c。——真空介电常数； 3——压电元件厚度。 当压电刀件受外力作用时，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） 这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器的等效电路，如图6—8(a)中的虚线方框；同时也等效为—个电压源u和—个电容器 Cn串联的等效电路，如图6—8(b)的虚线方框所示。其中Ra为压电元件的漏电阻。 工作时，压电元件与二次仪表配套使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容，放大器的输入电阻Ri，和输入电