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TechnologyBTECHNDinElectrical/ElectronicEngineeringUnit21:MeasurementandTestingAssignmentNameofStudentUnitTitleUnit21:MeasurementandTestingAssignmentTitle壓電傳感器在物體振動頻率測量中的應用AssignmentNoAssignment1NameofTutorZhangHongNameofInternalVerifierZhengYangSubmissionDeadlineJune30,2011.OutcomesandAssessmentCriteriaOutcomeAssessmentCriteriaforpassFeedbackTutor’sdecision1壓電傳感器研究描述壓電材料具有壓電效應的原理1a壓電材料的分類及選擇1b壓電傳感器測量電路參數對測量結果的影響1c3物體振動頻率測量電路設計及分析畫出測量電路并描述工作原理3a測量電路的組成及各部分作用3b分析輸出信號頻率與物體振動天系3cMeritGradeCriteriaMeritDescriptorsIndicativeCharacteristicsFeedbackTutor’sdecision

MlIdentifyandapplystrategiestofindappropriatesolutionsTheprocessofcalculationisillustratedstepbystepTheimprovementisinvoledM1M2Select,designandapplyappropriatemethodsandtechniquesTheprincipleofop-ampisshownindetailThesuitableamplifiersarechosen,thereasonsareconvincingandclearM2M3PresentandcommunicateappropriatefindingsThedemonstrationinEnglishisfluentenoughM3DistinctionGradeCriteriaDistinctionDescriptorsIndicativeCharacteristicsFeedbackTutor’sdecisionD1Usecriticalreflectiontoevaluateownworkandjustifyvalidconclusions?ThroughavarietyofwaystoverifytheconclusioniscorrectD1D2Takeresponsibilityformanagingandorganisingactivities?Theinformationaboutchosenamplifierisshownandcomplete,andotheroptionisadvisedD2D3Demonstratecreativethinking?Thesimulationofp-ampgivesaprecisecircuitandanexpectedoscillogramD3StudentsignatureScenariowStudentsignatureScenariow同學將下列材料譯成英文Internalverificationofassignmentbrief(finalagreedversion)IVnameDateIconfirmthatthisisallmyownworkProfessor’ssummativefeedbackandcommentsDateSignatureDateStudent’scommentsonprofessor’sfeedbackSignature DateANSWERALLTASKS

1什么是壓電式傳感器？答：壓電式傳感器是一種自發(fā)電傳感器。以某些電介質的壓電效應為基礎，壓電材料受力后表面產生電荷，從而實現非電量向電量的轉換。2石英晶體的壓電機理？答：當石英晶體不受外力作用時，硅離子和氧離子剛好在正六邊形的六個頂角上，也就是說正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現象，見圖5-3（a）；當石英品體在x軸方向受力時，晶體的極面A上呈現負電荷，品體的極面B上呈現正電荷，見圖5-3（b）；當石英品體在y軸方向受力時，晶體的極面A上呈現正電荷，晶體的極面B上呈現負電荷，見圖5-3（c）。（a）不受外力（c）y軸方向受力（c）y軸方向受力（b）x軸方向受力在晶體的彈性限度內，在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產生的電荷為=d11Fx （5-1）式中，dll為x軸方向受力的壓電系數（C/N）；Fx為x軸方向的作用力（N）。3壓電材料的分類有哪些？答：壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類壓電品體壓電陶瓷高分子壓電材料4壓電傳感器的測量要求是什么？答：由于外力的作用，在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能完好地保存，即需要測量轉換電路具有無窮大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量轉換電路一定的電流，因此，壓電式傳感器只適用于動態(tài)測量。5石英晶體壓電材料的缺點與優(yōu)點？答：石英晶體在20?200。。內壓電系數的變化率小，因而其性能非常穩(wěn)定，不足之處在于壓電系數較小(d=2.31X10—12C/N)。因此，石英品體一般只在標準傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用。6壓電晶體與壓電陶瓷相比不同點有哪些？答：石英的優(yōu)點是它的介電和壓電常數的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷的壓電系數是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點也低。7壓電元件的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，當壓電元件表面聚集電荷時，相當于一個以壓電材料為介質的電容器，則其電容量為￡￡AC=0rad壓電元件的開路電壓。的表達式為U=QCa壓電式傳感器可以等效為一個電荷源，如圖5-6(a)所示。它也可等效為一個電壓源，如圖5-6(b)所示。7壓電式傳感器的測量轉換電路的特點及形式

壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式:電壓放大器和電荷放大器。由于電荷放大器中的反饋電容Cf在輸入端的等效電容滿足Cf（A+1）>>（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略電纜電容Cc和前置放大器的輸入電容Ci的影響。Q—Q—Cfu= ~QA ?o_C(A+1)+(C+C+C)?f a ci8實驗內容與步驟壓電式傳感器由慣性質量塊和壓電陶瓷片等組成（觀察實驗用壓電式加速度計結構）工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電陶瓷片上，由于壓電效應，壓電陶瓷產生正比于運動加速度的表面電荷。1）實驗內容與步驟壓電傳感器已安裝在振動梁的圓盤上。將振蕩器的“低頻輸出”接到三源板的“低頻輸入”，并按下圖4-1接線，合上主控臺電源開關，調節(jié)低頻調幅到最大、低頻調頻到適當位置，使振動梁的振幅逐漸增大（直到共振）。將壓電傳感器的輸出端接到壓電傳感器模塊的輸入端U.1，Uo1接U.2，Uo2接移相檢波低通模塊低通濾波器輸入Ui，輸出Uo接通信接口CH1，用上位機觀察壓電傳感器的輸出波形Uo。

壓電傳感器實驗模塊+15VGND-15V低通波波器低通波波器■UilUolUi2■Uil圖4-12）實驗報告1.改變低頻輸出信號的頻率，記錄振動源不同振幅下壓電傳感器輸出波形的頻率和幅值。9實驗結果分析：建立坐標描點畫出輸入輸出曲線Required:Ineachpart,youshouldgivetheaccuratecircuitandsimulationfigure,whencalculationisneeded,youshouldgivethe