任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述利用壓電振動傳感器設(shè)計(jì)當(dāng)受到振動后該電路能發(fā)出可持續(xù)時間為1min左右的報(bào)警聲響。二、任務(wù)目標(biāo)(1)了解壓電式傳感器的工作原理。(2)掌握壓電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路。(3能夠運(yùn)用壓電式傳感器進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)。下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作三、知識鏈接(一)壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器從詞義上理解就應(yīng)該是受壓產(chǎn)生電信號的一類傳感器。它屬于一種物性型傳感器。利用一種特殊材料的固態(tài)物理特性及效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的傳感器。壓電式傳感器是一種典型的有源器件，無需外界供電，自己能夠產(chǎn)生電，也叫自發(fā)式傳感器。它具有體積小、質(zhì)量輕、工作頻帶寬等特點(diǎn)，用于各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動的測量，并在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器的原理就是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)制成的。上一頁下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作1.壓電效應(yīng)當(dāng)某些電介質(zhì)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。2.壓電材料在自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、欽酸鋇、錯欽酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。因此常見的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷及一些高分子材料。上一頁下一頁返回當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。相反，在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))。任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個方面。(1)轉(zhuǎn)換性能。具有較高的禍合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)。(2)力學(xué)性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得較寬的線性范圍和較高的固有振動頻率。(3)電性能。希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，用來減弱外部分布電容的影響，并獲得良好的低頻特性。(4)溫度和濕度穩(wěn)定性要好。具有較高的居里點(diǎn)，以期望得到較寬的工作溫度范圍。(5)時間穩(wěn)定性。壓電特性不隨時間蛻變。上一頁下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作3.石英晶體的壓電效應(yīng)石英品體所以具有壓電效應(yīng)，是與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開的。組成石英品體的硅離子Si4+和氧離子O2-在平面投影，如圖1-49(a)所示。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖1-49(b)中六邊形排列，圖中“⊕”代表Si4+

，“”代表O2-。石英結(jié)品是一個正六面體，在品體學(xué)中它可以-,根互相垂直的軸來表示。其中，縱向軸Z-Z稱為光軸;經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光電軸的X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為“縱向壓電效應(yīng)”;而把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)，稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z-Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖1-50所示為石英品體的外形。上一頁下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作(1)縱向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿電軸方向施力FX，在垂直于電軸的平面上產(chǎn)生電荷。在品體的線性彈性范圍內(nèi)，電荷量與力成正比，可表示為式中QXX—垂直于X軸平面上的電荷;dXX—壓電系數(shù)，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的向的軸間及施加作用力的軸向。

FX—沿品軸X方向施加的壓力。因此當(dāng)品片受到X向的壓力作用時，QXX與作用力FX成正比，而與品片的幾何尺寸無關(guān)。上一頁下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作(2)橫向壓電效應(yīng)。如果沿Y軸施力為FY時，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的平面上，其橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為式中QXY—Y軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上產(chǎn)生的電荷;dXY—壓電系數(shù)，Y軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上產(chǎn)生電荷時的壓電系數(shù);FY—沿品軸Y方向施加的壓力。根據(jù)石英品體的對稱條件dXY=dXX，因此有上一頁下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作由此可以看出，沿機(jī)械軸方向向品片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。當(dāng)石英品片沿X軸受壓力或拉力時，電荷產(chǎn)生的極性變化如圖1-51(a),(b)所示，當(dāng)石英品體沿Y軸作用于壓力或拉力時，電荷產(chǎn)生的極性變化如圖1-51(c),(d)所示。上一頁下一頁返回任務(wù)四振動報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與制作4.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的電體。材料內(nèi)部的品粒由許多自發(fā)極化的“電疇”組成，每一個電疇具有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在品體中雜亂分布，分布如圖1-52(a)所示，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在外力電場的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外力電場的方向排列，從而使材料得到極化，如圖1-52(b)所示。極化處理后陶瓷內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，如圖1-52(c)所示。因此對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的表面上會出現(xiàn)電荷，見圖1-53，上一頁下一頁返回任務(wù)微四振輛動報(bào)旦警電鋼路的遵設(shè)計(jì)惡與制和作5.高分虹子壓雄電材尊料(P輛VD網(wǎng)F)隨著肉科技扎的發(fā)則展，蓬不斷鑼出現(xiàn)猶一些團(tuán)新型訴的壓旁電材醫(yī)料。20世紀(jì)70年代袍出現(xiàn)筆了半孔導(dǎo)體慕壓電究材料機(jī)，如魄硫化魄鋅(Z做nS陸)、銻妨化鉻(C趁dT籃e)等，妄因其既具寺有壓它電特撤性，玩又具咸有半影導(dǎo)體翻特性提，故其培既可既用于問壓電埋傳感翼器，冒又可絲式用于鋪制作愛電子厚器件坊，從占而研昂制成勺新型梯集成拜壓電欺傳感闊器測稍試系避統(tǒng);近年傍來研堆制成嬸功的弊有機(jī)臺高分犯子化芽合物桐，因踐其質(zhì)腫輕柔燭軟、訓(xùn)抗拉罩強(qiáng)度輕較高史、蠕勸變小慘、耐詢沖擊熱等特師點(diǎn)，偏可制見成大巖面積苦壓電必元件末。為弱提高址其壓置電性腰能，稼還可危以摻濃入壓棉電陶礦瓷粉梯末，鬧制成炒混合舒復(fù)合槍材料(P章VF樂2-約PZ乖T)。上一灣頁下一同頁返回任務(wù)花四振激動報(bào)議警電伸路的描設(shè)計(jì)鋼與制雷作PV幅DF有很枕強(qiáng)的歸壓電忍特性沙，同禿時還血具有蓮類似場鐵電掏品體時的遲梳滯特堵性和害熱釋涉電特朽性，借因此干廣泛認(rèn)應(yīng)用雜于壓粉力、兆加速忍度、康溫度夸、聲靜音和磁無損膝檢測妙等。PV柳DF有很紙好的拼柔性告和加者上性延能，第可制本成具蹤蝶有不系同厚晌度和頌形狀鵲各異倒的大廉面積敬有撓共性的鉗膜，粒適宜冷做大求面積羨的傳澤感陣首列器動件。冒這種奶元件撓耐沖鉆擊、冰不易志破碎貼、穩(wěn)危定性堵好、勵頻帶柱寬。任務(wù)蝴四振菠動報(bào)敢警電膜路的送設(shè)計(jì)泄與制斬作(二)壓電估式傳烤感器趨測量狡電路1.壓電毀元件歸的等僑效電塌路當(dāng)壓鍛電傳刮感器來中的遍壓電掩品體嚴(yán)承受徹被測固機(jī)械援應(yīng)力羽的作穿用時貧，在坐它的梅兩個及極面饒上出森現(xiàn)等績值極蘿性相成反的臭電荷脅?？筛邪褖涸噪妭饕Ц衅靼榭闯善鹨粋€咽兩極斧板上鄭聚集穗異性癢電荷晃，中緒間為湊絕緣光體的朝電容膠器，弄當(dāng)兩登極板尼聚集順一定撤電荷鵝時，絕兩極礦板就純呈現(xiàn)欺一定箏的電致壓。較因此慮，壓專電元客件可來等效恒為一侵個電談荷源Q和一鑼個電堤容Ca的并導(dǎo)聯(lián)電挪路，烏如圖1-刪54(a病)所示;也可畝等效填為一排個電桌壓源ua和一阿個電代容Ca的串礎(chǔ)聯(lián)電券路，劑如圖1-胞54(b釘)所示送。上一幕頁下一數(shù)頁返回任務(wù)酷四振胞動報(bào)下警電某路的繡設(shè)計(jì)款與制雷作傳感杏器內(nèi)辣部信刃號電寶荷無薯“漏膛損”縱，外皂電路黃負(fù)載榮無窮抽大時禁，壓昏電傳爬感器浮受力阿后產(chǎn)繪生的飯電壓板或電低荷才妻能長闖期保增存;否則霜電路王將以皂某時著間常圈數(shù)按泛指數(shù)露規(guī)律芝放電清。這甘對于旦靜態(tài)棟標(biāo)定鉗以及劣低頻競準(zhǔn)靜撫態(tài)測質(zhì)量極搏為不蔥利，飄必然盒帶來限誤差鄭。事免實(shí)上覺，傳貿(mào)感器備內(nèi)部葉不可今能沒坊有泄緩漏，靜外電匙路負(fù)停載也前不可唐能無窮滔大，津只有鹿外力訊以較陳高頻筒率不始斷地底作用熟，傳夫感器樂的電隊(duì)荷才捕能得層以補(bǔ)眨充。嗚因此何，壓環(huán)電品戀體不派適合聽于靜暖態(tài)測覺量。如果區(qū)用導(dǎo)嚼線將退壓電向傳感割器和驅(qū)測量嶄儀器耐連接勾時，角則應(yīng)鹽考慮自連線漁的等妖效電仗容，譽(yù)還必窗須考育慮電冶纜電壇容CC，放蜓大器持的輸服入電茂阻Ru和輸瞇入電毀容Cu以及滅傳感脂器的挽泄漏鎮(zhèn)電阻Ra。其清等效拘電荷豬源如圖1-較55(a堆)所示軋，等聲效電測壓源檔如圖1-獎55(b蠟)所示教。上一蹈頁下一墓頁返回任務(wù)廈四振協(xié)動報(bào)述警電偏路的斑設(shè)計(jì)英與制嗎作2.壓電方式傳擇感器攪的測近量電誓路壓電瘡式傳挨感器短本身枯的內(nèi)慮阻抗痛很高鑒，而才輸出伯能量譯較小輛，因諷此它司的測牌量電帳路通秧常需證要接岡入一死個高傻輸入牲阻抗節(jié)的前捉置放駛大器騙，其作肆用為:一是錄把它搖的高輔輸出粥阻抗謊變換摔為低至輸出親阻抗;二是糞放大搭傳感恐器輸話出的鉆微弱破信號截。壓電候傳感食器的先輸出澆可以暈是電火壓信她號，剩也可涉以是妹電荷膛信號搭，因劃此前恰置放笑大器捉也有驢兩種咐形式宅，上一顧頁下一研頁返回即電類壓放框大器往和電荷舍放大貴器。任務(wù)劃四振聾動報(bào)雀警電燃路的漆設(shè)計(jì)鍬與制鏟作(1騎)電壓戶放大勻器。電壓悄放大陵器的赤作用折是將洲壓電棄式傳然感器嘗的高塌輸出漏阻抗愉經(jīng)放蛇大器辟變換推為低震阻抗堡輸出谷，并槐將微煌弱的役電壓沃信號罰進(jìn)行富適當(dāng)忙放大蔬。因黑此，放也把豪這種富測量菌電路烏稱為拳阻抗售變換嘴器，供如圖1-花56所示蝦。串聯(lián)環(huán)輸出進(jìn)型壓歲電元料件可食以等末效為患電壓要源，促但由殺于壓膚電效嚴(yán)應(yīng)引安起的尋電容呆量很荒小，逃因而陳其電悉壓源噴等效忠內(nèi)阻控很大團(tuán)，在狡接成第電壓糾輸出間型測鎖量電攝路時頑，要褲求前轉(zhuǎn)置放法大器烤不僅招有足恭夠的讀放大恭倍數(shù)龍，而它且應(yīng)圾具有歐很高瞇的輸鑼入阻令抗。上一認(rèn)頁下一旅頁返回任務(wù)系四振扶動報(bào)匙警電帖路的艷設(shè)計(jì)剖與制檢作(2噴)電荷軋放大盆器電荷匙放大私器是央另一擇種專企用的奴前置艱放大飄器，饞是一團(tuán)個具救有深蓮度負(fù)學(xué)反饋歸的高障增益椅放大吃器，月其等須效電舉路如圖1-看57(a壘)所示受。由機(jī)于放厲大器升的輸煙入阻牧抗極憂高，心放大倦器輸孟入端濁幾乎講沒有倚電流疼，故果可略曬去Ra,值Ri并聯(lián)書電阻史的影賢響，布等效肯電路渣如圖1-祥57(b祝)所示春。在實(shí)調(diào)際應(yīng)謀用中欠，由噴于電久壓放成大器億使所它配接梢的壓寶電式俱傳感監(jiān)器的倆電壓豎靈敏侮度將叨隨電滋纜分腹布電軟容及愈傳感套器自撇身電跪容的遞變化洪而變惡化，繼而且衫電纜揀的更炸換會患引起惰重新已標(biāo)定瘦的麻檢煩，帥因此型對于惜電荷隨放大魯器，剛它既喝便于蕉遠(yuǎn)距抱離測筒量，綿又是揚(yáng)目前喇己被戰(zhàn)公認(rèn)脾是一士種較正好的神沖擊趕測量撥放大敢器。任務(wù)成四振醋動報(bào)濕警電扭路的犧設(shè)計(jì)唉與制帽作3.壓電輩片的蔑連接偶方式在實(shí)績際應(yīng)倘用中昏，單綿片壓嘉電元帥件產(chǎn)做生的望電荷膨量甚五微，轟為了均提高親壓電鑼傳感蘿器的轉(zhuǎn)輸出達(dá)靈敏倒度，拼常采幟用兩役片(或兩捷片以盆上)同型傅號的險(xiǎn)壓電捏元件會載接蓬在一承起。從作痰用力格來看賄，元熔件是顯串接觀的，匙因而矩每片五受到瘡的作餃用力卷相同胡，產(chǎn)貿(mào)生的薪變形傳和電茄荷數(shù)債量大乞小都同與單庭片時拋相同訴。上一能頁下一君頁返回壓電頓片常槳見的是鏈接困方式驗(yàn)主要滲有并僻聯(lián)連塔接和鉗串聯(lián)拜連接詢兩種動。任務(wù)忽四振夕動報(bào)宰警電芒路的碼設(shè)計(jì)招與制擋作連接覽方式鼻如圖1-霜58(a肯)所示付。從棉電路鑄上看暑，這旦是并察聯(lián)接迅法，收類似傲兩個撫電容擁的并言聯(lián)。危所以廣，外僑力作細(xì)用下艇正負(fù)濱電極違上的鬧電荷乏量q‘構(gòu)=2贈q增加呈了1倍，C’膛=爪2估C電容莫量也奪增加搬了1倍，屠輸出踐電壓炎與單估片時擠相同欄，即U‘低=致U。而由圖1-批58(b腹)所示珍的電顫路上丘看是矛串聯(lián)撕的，憂兩壓汽電片癥中間旬載接兇處正電負(fù)電墓荷中爪和，真上、畏下極憲板的逼電荷述量q‘哲=鬼q與單旁片時禽相同臥，總糾電容獻(xiàn)量C’殿=找C/尼2為單渴片的晃一半靠，輸按出電主壓U‘戰(zhàn)=若2U增大訊了1倍。比較捧兩種長接法迅，并運(yùn)聯(lián)接喘法輸敬出電吧荷大機(jī)，時測間常核數(shù)大晝，宜隱用于冠測量或緩變?yōu)V信號蠅，并歐且適巡壽用于葬以電鼓荷作巴為輸刊出量欲的場罪合。謊而串徒聯(lián)接姐法，述輸出萬電壓術(shù)大，針本身采電容舞小，奇適用駕于以份電壓牙作為藍(lán)輸出踢信號謀且測退量電煩路輸精入阻婚抗很甜高的途場合局。上一喇頁下一擺頁返回任務(wù)槍四振聲動報(bào)壇警電下路的愁設(shè)計(jì)伏與制姥作4.壓電罵式傳叼感器假的應(yīng)竄用壓電備式傳錢感器嚷可以誤廣泛患應(yīng)用吸于力避以及肚可以袍轉(zhuǎn)換霜為力獅的物警理量燙的測冬量，草如可扎以制遇成測陶力傳友感器虧、加趴速度菊傳感介器、用金屬牢切削腦力測怕量傳份感器挪等，齡也可跳制成薄玻璃號破碎堤報(bào)警餃器，痛廣泛死用于壇文物揭保管旗、貴望重商捉品保尖管等宣。(1頃)壓電藝式傳笑感器充單向麻測力籌傳感淺器。單向潤測力戀傳感扯器主躲要由轟石英丟品片巡壽、絕右緣套陪、電穩(wěn)極、刪上蓋融及基買座等怨組成火，如圖1-寨59所示摟。傳軋感器堂上蓋磨為傳鮮力元刮件，饑它的嗎外緣銅壁厚悶為0.胖1~鏈0.腳5抗mm，當(dāng)筋外力寨作用繪時，全它將潤產(chǎn)生戚彈性貨變形禽，將伐力傳統(tǒng)遞到暴石英止品片看上。上一夫頁下一惰頁返回任務(wù)牲四振