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1、题目：压电式压力传感器的设计姓名：刘福班级：3学号：1003030321专业：测控技术与仪器目录引言第一章传感器基本原理第二章传感器的基本要求第三章传感器的结构设计第四章传感器的参数计算第五章测量电路信号处理电路总结参考文献一、引言此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设
2、计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。压电式传感器的设计，主要是让同学们了解传感器的设计过程，知道如何计算一些参数，如何设计尺寸，如何选择材料，把自己学到的知识熟练灵活的运用起来，活学活用，加深对传感器这门课程的认知。第一章传感器基本原理1、基本原理：压电效应压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。常见有以下几
3、种压电效应模型（见图1）图1 压电效应可分正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用,内部就产生电极化,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、面切变型5种形式。（见图2）。图22、石英的晶体结构为六方晶体系
4、，化学式为SiO2。定义：x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强,称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。 当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为Qx=d11Fx。式中:d11——x方向受力的压电系数Fx——作用力若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为Qy=d12Fya/b式中:d12——y轴方向受力的压电系数d12=-d11a、b——晶体切片长度和厚度（1）当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成
5、120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3,P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。（2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。（3）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。（4）如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。 3、压电关系表达式：Q=d*F，其中d：压
6、电常数更一般表达式：电荷密度q ，（用单位面积受力表示）其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式：受z向力作用后在z方向产生电荷的表达式：各表达式见图片： 第二章传感器的基本要求基本要求1．工作在常温、常压、静态、环境良好2.精度：0.1%FS3.测量范围700kg4.装配图一张，零件图一张5.电路图一张第三章传感器的结构设计传感器的结构设计及计算传感器的结构如下图图一1、顶盖2、敏感
7、元件3、导电片4、基座5、外壁6、预紧螺钉该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。通过预紧螺钉加预紧力，将顶盖、基座和外壁焊接为一体，输出插座可与同轴低噪声电缆连接。第四章传感器的参数计算1、压电晶体（石英）的几何尺寸石英片在机械强度上必须满足公式式中：S为石英晶片的受力面积F为传感器待测力的最大力为石英晶体的许用应力，为17.5本设计中传感器的额定负载为400，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为7
