最新加速度测量仪设计制作教学讲义PPT课件.ppt

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1、加速度测量仪设计制作1项目描述设计一种加速度测量仪实现对各种振动和冲击进行监测。1.1任务要求1.以压电传感器为传感元件；2.对于加速度的不同能够有明显区别的不同提示，可酌情加分；3.当加速度到达低于或高于一定阈值时能够发出声光报警，可酌情加分；4.鼓励采用单片机为控制单元，可酌情加分；5.最终上交调试成功的试验系统—加速度检测仪；6.要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、使用说明、元件清单、进程表、调试过程描述等。1.2相关知识点分析本项目单元主要讲述压电传感器的各项知识。具体知识点如下：1.掌

2、握压电传感器的工作原理；2.了解各种压电材料及特性；3.了解压电传感器的产生机理；4.理解压电元件的结构形式；5.掌握压电传感器的等效电路及测量电路；6.了解压电传感器的各种应用；7.了解振动的测量及频谱分析；2.压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷四大类。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可

3、根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器。而且制造成本较低，因此，目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。3.高分子压电材料高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF2和PVDF的压电常数最高。4.压电材料的主要特性参数①压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电元件输出灵敏度。②弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。③介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件，其

4、固有电容特性与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。5.压电效应产生的机理（a）（b）（c）（d）图6-1石英晶体外形与切片为了直观地了解石英晶体的压电效应，将构成石英晶体的硅离子和氧离子在垂直于z轴的x

5、y平面上投影，则等效为一个正六边形排列。矩形晶体上受力与产生电荷的关系是：若沿X轴施加压力Fx，则在与x轴垂直的平面（加压的两表面）上分别出现正负电荷；若沿Y轴施加压力Fy，则在加压的两表面上不出现电荷，电荷仍然出现在与x轴垂直的平面上，只是电荷符号相反。若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与施加压力时相同，仍然出现在与x轴垂直的平面上，但电荷的符号与施加压力时相反。当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法来考虑。通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向

6、压电效应；把沿机械轴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方向受力时不产生压电效应。图6.3受力形变示意图如果在x轴方向施加拉力，体沿x方向将产生拉伸变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图6-3（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，P1的增加，P2、P3的减小，，在x轴正向呈负电荷，在x轴负向呈正电荷。综上所述：矩形晶体上受力与产生电荷的关系是：若沿X轴施加压力Fx，则在与x轴垂直的平面（加压的两表面）上分别出现正负电荷；若沿Y轴施加压力Fy，则在加压的两表面上不出现电荷，

7、电荷仍然出现在与x轴垂直的平面上，只是电荷符号相反。若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与施加压力时相同，仍然出现在与x轴垂直的平面上，但电荷的符号与施加压力时相反。当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法来考虑。通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；把沿机械轴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方向受力时不产生压电效应。压电陶瓷压电效应产生的机理:压电陶瓷是人工制造的多晶体（无数微细的单晶组成）压电材料。其压电效应产

8、生的机理与石英不同。压电陶瓷内部有许多自发极化的电畴，它们具有一定的极化方向，从而存在电场。极化处理以前，各电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应相互抵消，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,如图6.4（a）所示。压电陶瓷必须经过极化处理后才具有压电效应。图6.4压电陶瓷极化6.压电元件常用的结构形式(1)压电元件的基本变形压电元件作为压电式传感器的核心，在受外力作用时，其受力和变形方式大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图