任务四振动报警电路的设计和制作

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1、任务四振动报警电路的设计与制作一、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1min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。下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作三、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

2、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。上一页下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作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。2.压电材料在自然界中，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、钦酸钡、错钦酸铅等材料是性能优良的压电材料。因此常见

3、的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷及一些高分子材料。上一页下一页返回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(电致伸缩效应)。任务四振动报警电路的设计与制作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

4、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。上一页下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作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Si4+和氧离子O2-在平面投影，如图1-49(a)所示。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图1-49(b)中六边形排列，图中“⊕”代表Si4+，“”代表O2-。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Z-Z称为光轴;经过正六面体棱线，并垂直于光电轴的X-X方向

5、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Y-Y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Z-Z方向受力则不产生压电效应。图1-50所示为石英品体的外形。上一页下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作(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，可表示为式中QXX—垂直于X轴平面上的电荷;dXX—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

6、的几何尺寸无关。上一页下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作(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荷为式中QXY—Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生的电荷;dXY—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，因此有上一页下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作由此可以看出，沿机械轴方向向品片施加压力时，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

7、。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1-51(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1-51(c),(d)所示。上一页下一页返回任务四振动报警电路的设计与制作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1-52(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。在外力电场的作用下，电畴的极化方向发生转

8、动，趋向于按外力电场的方向排列，从而使材料得到极化，