微振動測試儀設計

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1、1.緒論 1.1振動測量的概念 物體圍繞平衡位置作往復運動稱為振功。從做功對象來分，有機械振動(例如機床電機、泵風機等遠行時的振動)；上木結構振動(房屋、橋梁等的振動)；運輸工具振動汽車、飛機等的振動)以及武器、爆炸引起的沖擊振動等。 從振動的頻率范圍來分．合高頻振動、低頻振動和超低頻振動等；從振動信號的統(tǒng)計特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機振動等。期振功是指經過相同的時間間隔，其振動特征量重復出現的振動。它包括簡諧振動和復雜周期振動。復雜周期振動是由一些不同頻率的簡諧分量合成的振動。非周期振動的時域函數是一個衰減曲數，沖擊振動是最常見的非周期振功。隨機振動是一種非確定性

2、振動，事先允法確定共振幅、頻率從相位的瞬時值，但有一定的統(tǒng)計規(guī)律性。振動測量主要是研究上述各種振動的持征、變化規(guī)律以及分析產生振動的原因，從而找到解決問題的方法。 物體標動一次所需的時間稱為周期，用丁表示，單位是s。每秒振動的次數稱頻率，用f表小，單位為Hz、頻率是分析振動的最重要內容之一。振動物體偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用x表示，單位為mm。振動的速度用v表示，單位為m／s；加速度用a表水，單位m/s2。 1.2振動信號分類 確定性振動可分為周期性振動和非周期性振動。周期性振動包括簡諧振動和復雜周期振動。非周期性振動包括準周期振動和瞬態(tài)振動。準周期振動由一些不同頻率的簡諧振動合

3、成，在這些不同頻率的簡諧分量中，總會有一個分量與另一個分量的頻率之比值為無理數，因而是非周期振動。 隨機振動是一種非確定性振動，它只服從一定的統(tǒng)計規(guī)律性。可分為平穩(wěn)隨機振動和非平穩(wěn)隨機振動。平穩(wěn)隨機振動又包括各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動和非各態(tài)歷經的平穩(wěn)隨機振動 一般來說，儀器設備的振動信號中既包含有確定性的振動，又包含有隨機振動，但對于一個線性振動系統(tǒng)來說，振動信號可用譜分析技術化作許多諧振動的疊加。因此簡諧振動是最基本也是最簡單的振動。 1.3壓電式傳感器的結構原理 當傳感器與被測振動加速度的機件緊固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質量塊慣件引起的壓力。其方向

4、與振動加速度方向相反，大小奏F＝ma決定。慣性引起的壓力作用在壓電晶片上產生電荷。電荷由引出電極輸出．由此將振動加速度轉換成電參量。彈簧是給壓電晶片施加預緊力的。預緊力的大小基本不影響輸出電荷的大小，若預緊力不夠，而加速度又較大時．質量塊將宅壓電晶片敲碰，預緊力也不能太大，否則又會引起壓電晶片的非線性誤差、常用的壓電式加速度傳感器的結構多種多樣．這種結構有較高的固有振動頻率，可用于較高頻率的測量(幾千赫茲至幾十千赫茲)，它是目前應用較多的一種形式 。 1.4 壓電傳感器的性能指標 壓電式加速度傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，它的輸出為電荷量，以Pc(皮庫侖)為單位，1Pc = 10-12C

5、；而輸入量為加速度，單位為m／s2，所以靈敏度以Pc／(m/s2)為單位，但是在振動測量中，往往用標準重力加速度g(1g=9．8m/s*s)作為加速度的單位，這是檢測行業(yè)的一種習慣用法。幾乎所有測量振動的儀器都用g作為加速度單位，并在儀器的面板上以及說明書中標出。 目前許多壓電加速度傳感器已將電荷放大器做在同一個殼體中，它的輸出是電壓，所以許多壓電加速度傳感器的靈敏度單位為mv／g，通常為l0—1000mV/g靈敏度并不是越高越好，靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范同很寬的扳動測量，例如打樁機的沖擊振動、汽車的撞擊試驗、炸彈的貫穿延時引爆等，而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。例如用于尋找

6、地下行道的泄漏點(水管漏水處可發(fā)出幾千赫茲的特殊振動)；或測量橋梁、樓房、樁基的受激振動以反分析精密機床床身的振動以提高加工精度等。頻率范圍大多數壓電加速度度傳感器的頻率范圍為0.1HZ-10KHZ。動態(tài)范圍 常用的測量范圍為0.1—100g，測量沖擊振動時應選用100—10000g；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.00l—10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。 2.壓電式傳感器的工作原理 2.1壓電效應 某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時部會產生極化現象，同時么其表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)．這種現象稱為壓電效應 。反之，在電介質的極化

7、方向上施加交變電場或電壓、它會產生機械變形；當去掉外加電場時，電介質變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應(電致伸縮效應)例如音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應而發(fā)聲的。具有壓電效應的物質很多，如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。在晶體的彈性限度內，壓電材料受力后，其表面產生的電荷Q與所施加的力F成正比即 Q=dF 式中 d—一壓電常數。 自然界中與壓電效應有關的現象很多，例如在敦煌的鳴沙丘，當許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙廳上檸下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲；產生這個現象的原因是無數干燥的沙子(siO2晶體)在重壓下表面產個電荷。在某時刻，形成電壓串聯，產生很高的電壓。并通過空氣

8、放電而發(fā)出聲音。 2.2壓電材料的分類及特性 壓電式傳感器中的壓電元件件材料一般有三類：一類是壓電晶體(單晶體)；第二類是經過極化處理的壓電陶瓷(多晶體)；第三類是高分子壓電材料。這里我們主要介紹第二類。 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料．它由無數細微的電疇組成這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域 在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布．它們的極化效應被相互抵消了，因此原始的在電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。為了使壓電陶瓷具有壓電效應，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內部存在有很強的剩余極化強度。當壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產生電荷，所以壓電陶

9、瓷也具有壓電效應。 壓電陶瓷制造工藝成熟，通過改變配方或摻雜微量元素可使材料的技術件能有較大改變，以適應各種要求 它還具有良好的工藝性．可以方便地加工成各種需要的形狀，在通常情況下，它比石英品體的比電系數高得多，而制造成本較低，因此日前岡內外壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。 常用的壓電陶資材料主要有以下幾種： (1)鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(PZT) 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷是由鈦酸鉛和鐵酸鉛組成的固熔休。它有較高的壓電常數[d—(200—500)*10-12c/n]和居里點(500c左右)，是目前經常采用的一種壓電材料。在上述材料小加入微量的鑭(La)、鈮(Nb)或睇(Sb)等，可以得到

10、不同性能的PZT材料。PzT足工業(yè)中應用較多的壓電陶瓷。 (2)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN) 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷具有較高的壓電常數{dll＝(800一900)x10-12C／n}和居里點(260C)，它能在壓力大至70MPa時正常工作。因此可作為高壓下的力傳感器。目前還有一些鈮酸鹽(如鈮酸鋰)具有很高的居里點，可作為高溫壓電傳感器。 （3)使用Pv—96型壓電加速度傳感器進行測量，Pv—96型采取剪切型結構，它不受周圍環(huán)境溫度的影響，外型為圓柱體，重量較大。它的靈敏度為100OPC／g，也就是說在1g(g＝9．8m／s*s)加速度的作用下，傳感器能產生一萬微庫的電荷，Pv—96型壓

11、電傳感器的性能如表2—1： 表2—1PV-96型壓電傳感器特性 3.微振動測試儀電路的具體設計 3.1壓電陶瓷傳感器的等效電路 壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大小來反映的，因此它相當于一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量為 式中 S——極板面積； ——壓電材料相對介電常數； c。——真空介電常數； 3——壓電元件厚度。 當壓電刀件受外力作用時，兩表面產生等量的正，負電荷Q，壓電元件的開路電壓（認為其負載電阻為無窮大）u為 U=Q/Cn。 這樣，可以把壓

12、電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器的等效電路，如圖3—1(a)中的虛線方框；同時也等效為—個電壓源u和—個電容器 Cn串聯的等效電路，如圖3—1(b)的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。 圖3—1壓電式傳感器測試系統(tǒng)等效電路 工作時，壓電元件與二次儀表配套使用，必定與測量電路相連接，這就要考慮連接電纜電容，放大器的輸入電阻Ri，和輸入電容C。圖3—1示出壓電式傳感器測試系統(tǒng)完整的等效電路。圖(a)、(b)的工作原理是相向的。壓電式傳感器的靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種，它們分別表示單位力產生的電壓和單位力產生的電荷。它們之間的關系為 3.2電荷放大器電路

13、 電荷放大器是壓電傳感器的一種專用的前置放大器，實際上是一個具有深度負反饋的高增益運算放大器。它能將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比與輸入電荷，因此電荷放大器同樣也起阻抗變換作用，輸入阻抗高達1010～1012Ω，而輸出阻抗小于100Ω。 若放大器的開環(huán)增益足夠高，則運算放大器的輸入端的電位接近“地”電位。由于放大器的輸入級采用場效應晶體管，保證其輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷q只對反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓，即輸出電壓為Vo=-q/Cf。 圖3—2電荷放大器電路 3.3電壓放大電路 uA776是低

14、功耗可編程運算放大器，為了降低噪聲，可在8腳輸入適當的電流Iset=15uA。在低頻測量時，隨著頻率的降低會增大閃爍噪聲，由于采用的運放uA776的電壓噪聲在1uA以下，噪聲主要由前端的電荷放大器產生。所以在降低噪聲設計中不僅要選擇電壓噪聲小的集成電路而且應有低的輸人電壓、低的偏壓及失調漂移等特性。在電路設計中，反饋電容應盡可能小，因為即使很小的漏電流進人放大器也會產生誤差，故輸人部分要用聚四氟乙烯絕緣紙進行絕緣。電壓放大器信號從反相端輸入，其電路圖3—2所示，可知放大倍數AF2： 圖3—2電壓放大器電路 3.4測量電路 測量電路如圖

15、3-3所示，圖中的模擬測量電路由兩級放大器組成。 圖3—3微振動測試儀電路總圖 AD544L組成一個電荷放大器，它的輸入為電荷，輸出為電壓，也是一個Q/V轉換器。它的輸出為 Vo1=Q0/C1,傳感器受到1g加速度的作用，它產生的電壓，理論值為Vo1=-10000x10-12 C/300 x10-12 F=-33V(實際上，1g的加速度使運放的輸出為飽和值Vs),即放大器AD544L的靈敏度為 -33V/g = -33 .7mV/gal(l gal=1/980g=1cm/s2 ) 電荷放大器的低頻響應由反饋電容C1和反饋電阻R1確定，其

16、截止頻率為 fo=1 /2πR1C1=0.053Hz 由上式可見，低頻時電荷放大器的頻率響應僅決定于反饋電路參數Rf和Cf，反饋電阻Rf還有直流反饋功能。因為在電荷放大器中采用電容負反饋，對直流工作點相當于開路，故零漂較大而產生誤差。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，應并聯電阻R1。RB為運放AD544L的輸入保護電阻，避免AD544L的輸入過高而損壞。 uA776是構成一個反相放大器，其閉環(huán)增益為： 調整電位器Rp1即使Rp1=18k，可使AF2=1.48，因此，uA776的輸出靈敏度為

17、 (-1.48)(-33 .7mV/gal) =50mV/gal 也就是說，當振動加速度為1/980g時，電路能輸出50mV的電壓。本電路輸出電壓最大約6V，因此其最大測量值約為6/48.8=0.1g。 若要求測量電路的輸出靈敏度更高，應提高uA776的反饋電阻。例如，輸出靈敏度為100mV/gal時uA776的閉環(huán)增益約為3，可適當增大(R4 + RPl)的值。 4.心得體會 這次課題設計歷時五天，我拿到題目，對其做了一個大致的了解后，就著手查找資料。俗話說：“萬事開頭難”確實如此，但開始時自己的思路不太清晰，漏洞百出，所設計的電路不能夠很好地實現所要求的功能

18、。但最后我還是在自己積極查資料、向學習較好的同學請教的基礎上，認真思考，改進電路，進而得以完成任務。通過本次設計，我認識到細心與細節(jié)的重要性，同時大大提高了自己搜集資料、排列次序和編寫的能力。我想，對資料的充分搜集與理解是本次設計得以有條理地完成的關鍵因素。 相當初拿到題目時束手無策的樣子，真的是很不懂事。因為，題目上出現的專業(yè)術語令我望而卻步了。直到要做課程設計時，才發(fā)現自己學到的東西太少了，而要學習的東西太多太多。曾經想多放棄，但放棄意味著什么？人生就是不斷的學習，不斷的進步，不斷的接受新事物才能學到很多有用的知識。倘若放棄，那么以后的人生就是被別人放棄。倘若沒有這次畢業(yè)設計，那么我將失

19、去人生中最重要的教育：那就是，不能輕言放棄。 總之，這次的課程設計為我以后做課程設計積累了經驗，并鍛煉了我的自主學習和獨立思考，融匯各學科知識的能力，也讓我體會到了將來走上工作崗位工作的不容易，所以我一定要更加努力地學習理論知識，以及增強我的動手能力，為將來打下基礎。 參考資料 [1] 何道清，張禾 傳感器與傳感器技術.北京：科學出版社.2008. [2] 張琳娜 ,劉武表 傳感檢測技術及應用.中國計量出版社.1999. [3] 黃賢武 傳感器實際應用電路設計.電子科技大學出版社.1997. [4] 陳杰 ，黃鴻 傳感器與檢測技術.高等教育出版社.2002. [5] 丁鎮(zhèn)聲 傳感器及傳感器技術及應用.電子工業(yè)出版社.1998. 附錄 微振動測試儀電路總圖