传感器课程设计说明书

燕山大学

课 程 设 计 说 明 书

题目： 压电式加速度传感器的设计

学院（系）： 电气工程学院

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）： 电气工程学院 基层教学单位： 自动化仪表系 学 号 学生姓名 专业（班级） 设计题目 压电式加速度传感器的设计 设 计 技 术 参 数 设 计 要 求 1测量范围 2输出电压0-10V 3线性度 4灵敏度 5精度 1学习电路仿真软件Circuit Design Suite10.0; 2设计与仿真调试各种传感器转换电路； 3设计电荷放大器电路； 4电荷放大器电路焊接调试； 5撰写报告、完成答辩。 第17-19周（完成资料查阅、方案设计、电路仿真、硬件调试、测试及误差分析等内容） 工 作 量 工 作 计 划 设计时间共10天。 第1-2天 资料查阅(图书馆及网络)；理论工作原理学习。 第3-4天 设计方案制定。 第5-6天 电路仿真，各器件选型。 第7-8 传感器转换电路调试。 第9-10天 撰写报告，完成答辩。 张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年 李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年 吴桂秀.传感器应用制作入门.浙江科学技术出版社.2004年 杨宝清，孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社. 1999年 殷淑英. 传感器应用技术.冶金工业出版社.2008年 基层教学单位主任签字 参 考 资 料 指导教师签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2014年1月10 日

燕山大学课程设计评审意见表

指导教师评语： 1、认真、很好的完成课设各阶段的任务。【 】 2、能够较好的完成课设各阶段的任务。【 】 3、能够按时完成课设各阶段的任务。【 】 4、不按时完成课设各阶段的任务。【 】 成绩： 指导教师：陈颖 朱丹丹 2014年 1月10日 答辩小组评语： 1、全面、得体的回答老师的提问。【 】 2、能够简要回答老师的提问。【 】 3、能够回答部分老师的提问。【 】 4、不能回答老师的提问。【 】 成绩： 组长： 童凯 2014年 1月10日 课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 童凯 吴飞 王志斌 赵彦涛 陈颖 朱丹丹 2014年 1月10日

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目录示例

目 录

第1章 摘要…………………………………………………………………………………1 第2章 引言…………………………………………………………………………………2 第3章 电路仿真及准备作…………………………………………………………………3 第4章 压电式加速度传感器的参数设计及计算………………………………………12 4.1 结构设计…………………………………………………………………………12 4.2 电容设计与计算…………………………………………………………………12 4.3 其他参数的计算 …………………………………………………………………12 第5章 误差分析 …………………………………………………………………………13 第6章 结论 ………………………………………………………………………………14 心得体会 ……………………………………………………………………………………14 参考文献 ……………………………………………………………………………………15

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第一章 摘要

传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。

压电式传感器是基于压电效应的传感器。压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

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第二章 引言

压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。

电荷放大器能将高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷。它实际上是一种具有深度反馈的高增益放大器，输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的增益的变化以及电缆电容无关。由于反馈电容与输出电压反比，因此要达到一定的灵敏度要求，必须选择适当容量的反馈电容。使用电荷放大器的一个突出优点是，在一定的条件下，传感器的灵敏度和电缆的长短没有关系。

在设计压电传感器的过程中，电荷放大器是必不可少的一部分，设计内容中会对电荷放大器进行电路仿真并和实际响应进行比较以确定传感器的准确度。

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第三章 电路仿真及准备工作

一 电荷放大器

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分析：

电荷放大器原理：电荷变换是该电荷放大器的核心部分，是一个具有电容负反馈的，输入阻抗极高的高增益运算放大器其中：Ca为压电传感器的等效电容，Ra为压电式传感器的等效绝缘漏电阻，Cc为电缆等效电容，Ci为放大器的输入电容，Ri为放大器的输入阻抗，Cf为反馈电容，Un是等效输入噪声电压，Uoff是等效输入失调电压。如将

Cf折算到输入端，其等效电容为（1+K）Cf，K为运放的开环增益。由于反馈电容、传

感器电容、电缆电容及放大器电容并联，不计算噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为

U0jwKQ111KRRiRfajwCaCcCi1KCf

运算放大器的开环增益K很大（约为104~106），故(1K)/Rf远大于1Ra+1Ri，

CC(1K)Cf远大于CaCi，此时Ra， Ri， Ca， Cc和Ci都可以忽略不计，

即压电传感器本身的电容大小和电缆长短对电荷放大器输出的影响可以忽略。

UoKQ

C(1K)Cf 式中C=Ca+Cc+Ci因为放大器是高增益的，K >>1,所以一般情况下（1+K）Cf>>C,则有

UoQ Cf上式表明，当反馈电容Cf一定时，电荷放大器的输出电压与传感器产生电荷成正比，在实际电路中，考虑到电压灵敏度和量程的问题，一般Cf的值在100~10000pF范围内选择。

,本设计选定10000pF，即10nF。

当开环增益A很大，(1K)/Rf远大于1Ra+1Ri，(1K)Cf远大于

CCC（2..19）式可表示为： aCi不能忽略，

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U0jwKQ1Kjw(1K)CfRfQ （1.4）

CfGfjw当频率够低时，GfF越低，Gfjw就不能忽略。因此式（2.20）是表示电荷放大器的低频响应。

wCf时，其输出电压幅值为：

U0Q2Cf

二 调频测量电路

分析：

调频测量电路是振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化使，振荡器的振荡频率发生变化虽然可以将频率作为测量系统的输出，用以判断被测非电量的大小，但此时是非线性的，不易矫正。仿真电路时可以将图示中c1电容变化会使输出电压也随之发生变化。

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三 差动变压器等效电路

分析：

理想情况下的差动变压器输出电压为零，但实际上存在有零点残余电压，主要是两次级线圈的电气参数与几何尺寸不对称造成的。

四 电桥电路

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分析：

电桥电路中，万用表测量的是输出电压，函数发生器是输入电压。在仿真过程中分别改变R1阻值， R1和R2阻值，R1、R2、R3、R4的阻值分别形成了单臂电桥、两臂差动电桥、全桥电路。可以通过输入输出的电压值来确定电桥电路的性质及特点。

五 电容式差压电路

分析：

图示是电容式差压电路，其原理和差动电路的原理相仿，改变图示中c1的电容量，输出电压值会变换，同时电压的正负也会发生变化。

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六 桥式整流∏滤波电路

XSC1XMM1Ext Trig+_AB_+_+35V1220 Vrms 50 Hz 0¡ã 0T142D112C1220uFL1300mH1R1C2220uF100¦¸1%TS_PQ4_1043MDA25000

分析:

第一幅波形图是稳定之前的波形图，第二幅是稳定之后的波形图。

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七 全波整流电路

XSC1Ext Trig+_A+_+B_D12V120 Vrms 50 Hz 0¡ã 0V220 Vrms 50 Hz 0¡ã 41N40071R11k¦¸5%D21N4007

分析：

全波整流电路是根据二极管的单项导电的特性进行全波整流的实现，如图是之前的信号，下面的是经过全波整流之后的信号波形。

八 积分电路

XSC1VCCVCC0R11U1R23VEEV14VEER402C10R3

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分析：

上图是典型的积分电路图。由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始电量为零，故此时给电容充电。由理想运算放大器的虚短、虚断性质得，（vi-0）/R=C*d(0-vo)/dt,所以vo=-1/（RC）∫ vdt.如果把R1和C换个位置，就成了微分电路（但输入的电压应该是交流信号才可通过电容）。

九 三相整流桥电路

XSC1Ext Trig+_A+_+B_V1D11N40091D41N40093D31N40094C1100uF671 Vpk 1 Hz 0° V2R11kΩ1 Vpk 1 Hz 120° V3D21N4009D51N4009D61N400901 Vpk 1 Hz 240° 分析：

三项整流桥电路也是利用的二极管的单项导电性质进行对交流信号的选择性通过来形成的。

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十 同相比例放大电路

XSC1Ext Trig+_A+_+B_3R11kΩ243U1A12411LM324AJV12 Vrms 1kHz 0° 1R22kΩR41kΩR31kΩ0

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第四章

压电式加速度传感器的参数设计及计算

4.1 结构设计

压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是典型的有源传感器。利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。

实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。

压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。

4.2电容设计和计算

由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为

Ca=εrεo/d

式中A为晶片电极面面积；r为压电材料的相对介电常数；0为真空介电常数。 因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。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接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：

(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。 (2)放大传感器输出的微弱信号。本设计中前置放大器采用电荷放大器。 压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻iR、输人电容iC及压电传感器的泄漏电阻aR。

4.3其它性能参数计算

1 迟滞特性

迟滞特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入曲线

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不重合的程度，也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷。 2 重复性

重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度，若特性曲线一致，重复性就好，误差也小。 3 线性度

把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟合直线，其方程式为

Y=kx＋b

式中y为输出量；x为输入量；b为y轴上的截距；k为直线的斜率。 4 灵敏度

线性传感器的校准曲线的斜率就是其静态灵敏度，非线性传感器的灵敏度则随输入量而变化。线性传感器静态灵敏度K的计算式如下：

k=y/x

式中y为输出量的变化量；x为输入量的变化量；非线性传感器的灵敏度可用Dx/Dy表示。

第五章 误差分析

压电加速度计的前置放大器压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边界上的导体充电到电压U=q/Ca（这里Ca是加速度计的内电容）。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内，压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。

从压电式传感器的力学模型看，它具有“低通”特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现“截止频率”，约为0.1～1Hz左右。

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第六章 设计结论

压电式加速度传感器的电路在电路仿真的过程中经过仿真得到了正确的结论，这为实际的设计提供了理论保证。

经过电路板的焊接和组装，在实验台上经过实验得到了验证，电路准确无误，传感器可行，完全正确。

此电路在设计思想和电路结构方面都有新颖之处,且电路的制作和调试更加简单,大大降低了设这种电荷放大器作为对压电加速度计的信号调理电路已得到应用。此电路的设计思想和电路结构方面都有新颖之处，且电路的制作和调试更加简单,大大降低了设成本,提高了电路的性价比.实验证明,其性能以及各项技术指标均达到了预期的设计目标,具有很高的实用性。此次设计正确的实现了加速度电路的设计和焊接，成功达到了设计目的。

心得体会

本次课程设计，让我更加深入的了解了课本上的基本知识和原理，更加扎实的掌握了老师所讲的内容。在这次实践活动中我也遇到了很多问题，例如知识储备不够，老师所讲的东西理解不够深刻，很多用到的知识不明白，不理解。再有在设计开始计划不周，条理性不够清晰，导致问题复杂而且无从入手，平时很忙但是不见成果。

此次实践中让我受益最大的是电路的焊接过程，虽然此前的电工实习我们也进行过电路的焊接，但是我们只是对照课本的东西一步一步进行，只要课本不出错我们就不会出错。这次传感器电路的焊接过程，我们自己动手来完成，拉近了知识与现实的距离，我明白了完成任何一件事情都要多动脑筋，做到既能有效率的完成也要正确成功的完成，焊接过程中遇到电阻焊接错误这都是不仔细不细心所致，每一件事情都不能着急，要踏踏实实完成不要急于求成。

这次实践让我更加深刻理解到实践和学习知识从本质上就是不同的，不经过实践就是什么都不会。不懂的东西多向老师同学请教，这样集大家的智慧能学到更多的知识。遇到问题多思考，不要盲目只为解决问题，还要想办法用最简单的方法来解决问题。做每一件事最重要的是要有一个统筹的计划，计划不周就没有效率。

最后感谢老师不厌其烦的解答我的疑问，感谢同学们尽其所能的解答我的问题，在大家的帮助之下，通过我个人的总结归纳，终于完成此次设计。

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参考文献

赵燕.传感器原理及应用.北京理工大学出版社.2010年 张玉龙等.传感器电路设计手册.中国计量出版社.1989年 李科杰等.新编传感器技术手册.国防工业出版社.2002年 吴桂秀.传感器应用制作入门.浙江科学技术出版社.2004年 杨宝清，孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用.1999年 殷淑英. 传感器应用技术.冶金工业出版社.2008年

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