压电加速度电压放大器模拟仿真毕业设计(DOC毕业设计论文).doc

燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 压电加速度电压放大器电路仿真 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 09级仪表三班 学 号： * 学生姓名： * 指导教师： 张淑清 程淑红 教师职称： 教 授 副教授 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化仪表系 学 号*学生姓名*专业（班级）09级仪表三班设计题目压电加速度电压放大器电路仿真设计技术参数 1 测量范围； 2 输出电压； 3 灵敏度； 4 放大倍数。设计要求 1 学习掌握压电加速度传感器的相关知识； 2 压电加速度传感器探头设计； 3 放大电路仿真； 4 仿真结果分析；5 撰写报告、完成答辩。工作量 第18-19周（完成资料查询、方案设计、电路仿真、仿真结果分析等内容）工作计划 设计时间共10天。 第1-2天 资料查阅（图书馆及网络）；理论工作原理学习。 第3-4天 实际方案制定。 第5-6天 转换电路仿真。 第7-8天 仿真结果分析。 第9-10天 撰写报告，完成答辩。参考资料 张玉龙等，传感器电路设计手册，中国计量出版社，1989年 李科杰等，新编传感器技术手册，国防工业出版社，2002年 吴桂秀，传感器应用制作入门，浙江科学技术出版社，2004年 杨宝清，孙宝元，传感器及其应用手册，2004年 单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用，国防工业出版社，1999年 殷淑红，传感器应用技术，冶金工业出版社，2008年指导教师签字张淑清 程淑红基层教学单位主任签字谢平说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。2012年1月6日 燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩： 指导教师： 2012 年 1月 6 日答辩小组评语： 成绩： 评阅人： 2012 年1月 6 日课程设计总成绩：答辩小组成员签字： 2012 年 1月 6 日 摘要本文主要介绍压电加速度电压放大器电路仿真。首先介绍压电加速度传感器的相关知识，包括传感器作用，压电效应和压电材料等。然后是电压放大器电路，分为差分放大电路和三级放大电路两部分，其中包含仿真分析等关键词：压电效应 压电材料 差分放大 三级放大目 录第一章 压电加速度传感器相关识6 第一节 压电加速度传感器简介6第二节 压电效应和压电料6第二章 传感器探头设计11第一节 压电元件的等效电路11第二节 传感器敏感芯体的结构形式12第三章 电压放大器电路13第一节 差分放大电路13第二节 三级放大电路19总结 21参考文献资料 22第一章 压电加速度传感器相关知识第一节 压电加速度传感器简介1.压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。2.压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。第二节 压电效应和压电材料1.压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷)逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 )2.压电材料压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。在压电型加速度计的最常用的压电晶体为石英，其特点为工作温度范围宽，性能稳定，因此在实际应用中经常被用作标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数比其他压电材料低得多，因此对通用型压电加速度计而言更为常用的压电材料为压电陶瓷。压电陶瓷中锆钛酸铅(PZT)是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小。必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象可以通过典型的国产传感器和进口传感器的比较得以反映，国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。石英晶体的压电效应2.1石英晶体一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。 “纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷 d11压电系数（C/N） 作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面此时，切片上电荷的符号与受力方向的关系 图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。石英晶体的压电效应 （a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷 2.2压电陶瓷压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。 压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 Q 电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；F 作用力。 常见压电陶瓷 ：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。第二章 传感器探头设计第一节 压电元件的等效电路 压电式传感器的等效电路 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 “串联” Q=Q，U=2U，C=C/2而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。第二节 传感器敏感芯体的结构形式压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：1)压缩形式 压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。2)剪切形式 通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上分析在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此剪切结构形式成为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中，确保剪切敏感芯体的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造中工艺中最为困难的一个环节。北智BW-Sensor 采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。3)弯曲变形梁形式- 压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形梁结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼;但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极容易产生的信号漂移，所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。第三章 电压放大器电路第一节 差分放大电路1 . 静态分析由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2Re才能获得相同的电压降。实际上，电阻Re对共模信号有负反馈作用，而对差模信号没有负反馈作用。零点漂移对于差分放大电路来说相当于共模信号。电阻Re越大，共模负反馈作用越强烈，零点漂移的抑制效果更好。2动态分析（1）差模输入差分放大电路的差模工作状态分为四种：双端输入、双端输出（双-双），双端输入、单端输出（双-单），单端输入、双端输出（单-双），单端输入、单端输出（单-单）。 差模电压放大倍数Avd双端输入差分放大电路，负载电阻接在两集电极之间，vi接在两输入端之间，也可看成vi/2各接在两输入端与地之间。双端输入、双端输出差模电压放大倍数：这种方式适用于对称输入和对称输出，输入、输出均不接地的情况。双端输入、单端输出差模电压放大倍数：双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。这种方式适用于将差分信号转换为单端输出信号。单端输入、双端输出差模电压放大倍数：单端输入信号可以转换为双端输入。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值为(Rs+rbe)/（1+）Re，故Re对Ie分流极小，可忽略，于是有这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号，可用于输出负载不接地的情况。单端输入、单端输出电压放大倍数： 通过从T1或T2的集电极输出，可以得到输出与输入之间或反相或同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1输出，为反相；从C2输出为同相。 差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻rid是基本放大电路的两倍。rid 2（Rs+rbe）（2.8.6） 输出电阻输出电阻在单端输出时，roRC（2.8.7）双端输出时，ro 2RC（2.8.8）（2）共模输入例如，温漂信号属共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。 共模放大倍数Avc共模信号对放大电路来说也是变化量，不能视为直流量。计算共模放大倍数Avc时，图2.8.3中Re用2Re等效。共模放大倍数Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。单端输出时为共模抑制比共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。或双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比。输入5uv时：输入30mv时：1 测量范围：5uV-30mV2 输出电压：3V3 灵敏度:5uV4 放大倍数100倍第二节 三级放大电路 由三个共射级放大电路相串联组成输入5uv时：输入1mv时：1 测量范围：5uV-1mV2 输出电压：2V3 灵敏度:5uV4 放大倍数200倍总结通过这次课程设计，我收获很大。首先，我把传感器设计基础知识复习了一遍，加深了对传感器的认识，特别是压电加速度传感器。然后，在整个课程设计过程中，不断地查阅资料，学到了很多知识。特别是复习了一下模拟电子技术基础，加深了对各种放大器的理解和认识：运算放大器，共射级放大电路，共基级放大电路，组合放大电路，差分当打电路，反馈放大电路，功率放大电路等。最后，通过课程设计，让我更加清楚地认识到了网络的作用，并且提高了自己的自学能力。另一方面，在这次的课程设计当中，我学会知道团队精神的重要性，在一些电路的选用，软件的使用等方面与其它同学进行了交流，提高了自己的工作效率。在如此短的时间，依靠个人能力是不可能完成如此繁琐的资料查找与收集的。尽管这个设计有一定难度，但是完成后心里感觉蛮舒服的，很有一种成就感。在刚开始时，看着题目，自己头都大了。但三人行，必有我师总之，这次课程设计让我受益匪浅。我觉得在未来的日子里应该更加注重提高自己的动手能力。参考文献资料张玉龙等，传感器电路设计手册，中国计量出版社，1989年李科杰等，新编传感器技术手册，国防工业出版社，2002年 吴桂秀，传感器应用制作入门，浙江科学技术出版社，2004年杨宝清，孙宝元，传感器及其应用手册，2004年单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用，国防工业出版社，1999年殷淑红，传感器应用技术，冶金工业出版社，2008年袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄