压电传感器振动课业

PingdingshanIndustrialCollegeof

TechnologyBTECHNDinElectrical/ElectronicEngineeringUnit21:MeasurementandTestingAssignmentNameofStudentUnitTitleUnit21:MeasurementandTestingAssignmentTitle压电传感器在物体振动频率测量中的应用AssignmentNoAssignment1NameofTutorZhangHongNameofInternalVerifierZhengYangSubmissionDeadlineJune30,2011.OutcomesandAssessmentCriteriaOutcomeAssessmentCriteriaforpassFeedbackTutor’sdecision1压电传感器研究描述压电材料具有压电效应的原理1a压电材料的分类及选择1b压电传感器测量电路参数对测量结果的影响1c3物体振动频率测量电路设计及分析画出测量电路并描述工作原理3a测量电路的组成及各部分作用3b分析输出信号频率与物体振动天系3cMeritGradeCriteriaMeritDescriptorsIndicativeCharacteristicsFeedbackTutor’sdecision

MlIdentifyandapplystrategiestofindappropriatesolutionsTheprocessofcalculationisillustratedstepbystepTheimprovementisinvoledM1M2Select,designandapplyappropriatemethodsandtechniquesTheprincipleofop-ampisshownindetailThesuitableamplifiersarechosen,thereasonsareconvincingandclearM2M3PresentandcommunicateappropriatefindingsThedemonstrationinEnglishisfluentenoughM3DistinctionGradeCriteriaDistinctionDescriptorsIndicativeCharacteristicsFeedbackTutor’sdecisionD1Usecriticalreflectiontoevaluateownworkandjustifyvalidconclusions•ThroughavarietyofwaystoverifytheconclusioniscorrectD1D2Takeresponsibilityformanagingandorganisingactivities•Theinformationaboutchosenamplifierisshownandcomplete,andotheroptionisadvisedD2D3Demonstratecreativethinking•Thesimulationofp-ampgivesaprecisecircuitandanexpectedoscillogramD3StudentsignatureScenariowStudentsignatureScenariow同学将下列材料译成英文Internalverificationofassignmentbrief(finalagreedversion)IVnameDateIconfirmthatthisisallmyownworkProfessor’ssummativefeedbackandcommentsDateSignatureDateStudent’scommentsonprofessor’sfeedbackSignature DateANSWERALLTASKS

1什么是压电式传感器？答：压电式传感器是一种自发电传感器。以某些电介质的压电效应为基础，压电材料受力后表面产生电荷，从而实现非电量向电量的转换。2石英晶体的压电机理？答：当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图5-3（a）；当石英品体在x轴方向受力时，晶体的极面A上呈现负电荷，品体的极面B上呈现正电荷，见图5-3（b）；当石英品体在y轴方向受力时，晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面B上呈现负电荷，见图5-3（c）。（a）不受外力（c）y轴方向受力（c）y轴方向受力（b）x轴方向受力在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为=d11Fx （5-1）式中，dll为x轴方向受力的压电系数（C/N）；Fx为x轴方向的作用力（N）。3压电材料的分类有哪些？答：压电传感器中的压电元件材料一般有三类压电品体压电陶瓷高分子压电材料4压电传感器的测量要求是什么？答：由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，压电式传感器只适用于动态测量。5石英晶体压电材料的缺点与优点？答：石英晶体在20〜200。。内压电系数的变化率小，因而其性能非常稳定，不足之处在于压电系数较小(d=2.31X10—12C/N)。因此，石英品体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用。6压电晶体与压电陶瓷相比不同点有哪些？答：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。7压电元件的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器，则其电容量为££AC=0rad压电元件的开路电压。的表达式为U=QCa压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图5-6(a)所示。它也可等效为一个电压源，如图5-6(b)所示。7压电式传感器的测量转换电路的特点及形式

压电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:电压放大器和电荷放大器。由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足Cf（A+1）>>（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci的影响。Q—Q—Cfu= ~QA 〜o_C(A+1)+(C+C+C)〜f a ci8实验内容与步骤压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。1）实验内容与步骤压电传感器已安装在振动梁的圆盘上。将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按下图4-1接线，合上主控台电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅逐渐增大（直到共振）。将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端U.1，Uo1接U.2，Uo2接移相检波低通模块低通滤波器输入Ui，输出Uo接通信接口CH1，用上位机观察压电传感器的输出波形Uo。

压电传感器实验模块+15VGND-15V低通波波器低通波波器■UilUolUi2■Uil图4-12）实验报告1.改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值。9实验结果分析：建立坐标描点画出输入输出曲线Required:Ineachpart,youshouldgivetheaccuratecircuitandsimulationfigure,whencalculationisneeded,youshouldgivethe