加速度传感器应用电路课程设计.doc

航电四班传感器课程设计加速度传感器课程设计摘要加速度传感器：也称加计，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，高低精度的加速度传感器、微加速度计、加表，不同响应频率，各种精度。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，结构物、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。微机械结构，微型尺寸，可以直接焊接在PCB版上。可以测量重力加速度，可以测量动态冲击加速度，也可以应用加速度传感器来集成倾角处理系统，测试速度和振动。关键词：加速度传感器、加速度传感器功能、加速度传感器应用、加速度传感器工作原理目录摘 要.1第一章设计要求31.1功能和用途31.2指标要求3第二章 方案及其特点32.1 方案一 压电式加速度传感器42.2 方案二 电阻应变式加速度传感器52.3 方案三 电容式加速度传感器5第三章 加速度传感器工作原理73.1压电式加速度传感器73.2 电阻应变式加速度传感器83. 3 电容式加速度传感器9第四章 电路设计和参数设计104.1 压电式104.2 电阻应变式114.3 电容式12第五章 系统需要的元件清单及总结 13参考文献15一、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，目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。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，并根据这些振动，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，结构物、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。2、 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压电加速度传感器电荷放大器信号处理电路A/D转换电路图1 压电加速度测量系统结构框图 压电加速度测量系统结构框图如图1所示：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。输出电荷(电压)与作用力成正比。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。一般小阻尼(z，所以半导体应变片的灵敏系数为： (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R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为 (13)式中： 试件的应力; E试件材料的弹性模量; 试件的应变。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。3、 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: 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。当被测参数变化使得上式中的A、 d或发生变化时， 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数， 就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。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。由于运算放大器的 Ri 极高 , 而 Ra = 10910l4,所以可认为 Ri 和Ra 是开路的。设运算放大器输入电压为Ui ,输出电压为Uo ,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 ,在一定情况下 ,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。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： （18）图7 电阻应变式传感器在测量系统中的实际等效电路 设桥臂比，由于，分母中可忽略， 并考虑到平衡条件， 则上式可写为 （19） 实际中取 ，则输出为： （20）3、 电容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) （23）电容传感器的容抗很高，特别是电源频率较低时，容抗更高。如果两极板之间的漏电组与此容抗相接近时，就必须考虑分路作用对系统灵敏度的影响。它将使传感器的灵敏度下降。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、系统需要的元器件清单及总结表1 元器件清单序号元器件类型元器件规格数量备注1电阻任选72电容任选43可调电容任选2两参数相同4运算放大器任选15变压器任选1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通频带宽 ,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。应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一般适用频率为1060 Hz范围。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大,对环境温度要求较高。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。可以说 ,测试技术与自动控制水平的高低,是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志 ,是现代信息技术的重要支柱技术之一。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