加速度测量仪设计制作.ppt

加速度测量仪设计制作
1 工程描述
设计一种加速度测量仪实现对各种振动和冲击进展监测。
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。
相关知识点分析
本工程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. 理解压电元件的构造形式；
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 相关知识
压电效应
某些电介质物体在沿一定方向受到外力的作用而发生变形，其内部就会产生极化现象，并且在其外表上产生电荷，当外力撤销后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。简称压电效应。
反之，在电介质的极化方向施加电场或电压时，这些电介质将产生几何形变，当撤销外加的电场电压后，电介质的形变也随之消失，这种现象称为逆压电效应。
压电材料的压电特性常用压电方程来描述： 　　　　　　
Q=dF 〔6-1〕
式中Q-----为产生的电荷
d——压电常数。
F------为在晶体的弹性限度内施加的外力
压电式传感器中的压电元件材料主要有三类：压电晶体〔单晶体〕：它包括压电石英晶体和其它压电单晶；经过极化处理的压电陶瓷〔多晶体〕，也称为晶半导瓷，为极化处理的多晶体；新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。
石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。突出的优点是性能非常稳定。石英晶体的主要性能特点：
①压电常数小〔d＝×10-12C／N〕，其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为106 /℃ ；
②强度和品质因数高，许用应力高达〔~〕×107Pa。且刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好；
③居里点高，到达573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。
石英是理想的压电传感器的压电材料。石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，根本上采用压电陶瓷。
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。而且制造本钱较低，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。
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。
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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: 它是指压电材料开场丧失压电特性的温度。

〔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