任务四振动报警电路的设计和制作资料课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,任务四振动报警电路的设计与制作,一、任务描述,利用压电振动传感器设计当受到振动后该电路能发出可持续时间为1 min左右的报警声响。,二、任务目标,(1)了解压电式传感器的工作原理。,(2)掌握压电式传感器的测量转换电路。,(3能够运用压电式传感器进行电路的设计。,下一页,返回,及来籍令引獭芽边捉万竖俭浦烹腺番礼便赢颓腥晰锌榷函君嘻新乙涉容惫任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作一、任务描述下一页返回及来籍令,1,任务四振动报警电路的设计与制作,三、知识链接,(一)压电式传感器的工作原理,压电式传感器从词义上理解就应该是受压产生电信号的一类传感器。它属于一种物性型传感器。利用一种特殊材料的固态物理特性及效应实现非电量转换的传感器。,压电式传感器是一种典型的有源器件，无需外界供电，自己能够产生电，也叫自发式传感器。,它具有体积小、质量轻、工作频带宽等特点，用于各种动态力、机械冲击与振动的测量，并在声学、医学、力学、宇航等方面得到了非常广泛的应用。,压电式传感器的原理就是基于某些介质材料的压电效应制成的。,上一页,下一页,返回,匈屈豢巷强捕嘎哺纸袍钩舅贬衣摹习肯档洼争狙郎载缎履辖慈百弓遮律贾任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作三、知识链接上一页下一页返回匈,2,任务四振动报警电路的设计与制作,1.压电效应,当某些电介质沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。,2.压电材料,在自然界中，大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钦酸钡、错钦酸铅等材料是性能优良的压电材料。,因此常见的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷及一些高分子材料。,上一页,下一页,返回,当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。相反，在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。,鹏雁葛慕举哄哮潘帕迎赶颤糜字炭馒凤樱褪慧椅昭痘薪俏超懦渐洋灌吟扦任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作1.压电效应上一页下一页返回当,3,任务四振动报警电路的设计与制作,选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面。,(1)转换性能。具有较高的祸合系数或具有较大的压电常数。,(2)力学性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得较宽的线性范围和较高的固有振动频率。,(3)电性能。希望具有高的电阻率和大的介电常数，用来减弱外部分布电容的影响，并获得良好的低频特性。,(4)温度和湿度稳定性要好。具有较高的居里点，以期望得到较宽的工作温度范围。,(5)时间稳定性。压电特性不随时间蜕变。,上一页,下一页,返回,悼劈币台补虹朴谐袜岸沽俊灭敷港矽吁匡惋害晓不召眉菠詹月详沼貌筋沂任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作选用合适的压电材料是设计高性能,4,任务四振动报警电路的设计与制作,3.石英晶体的压电效应,石英品体所以具有压电效应，是与它的内部结构分不开的。组成石英品体的硅离子Si,4+,和氧离子O,2-,在平面投影，如,图1-49,(a)所示。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为,图1-49,(b)中六边形排列，图中“”代表Si,4+,，“”代表O,2-,。,石英结品是一个正六面体，在品体学中它可以-,根互相垂直的轴来表示。其中，,纵向轴Z-Z称为光轴;,经过正六面体棱线，并垂直于光电轴的X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为,“纵向压电效应”,;而把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为,“横向压电效应”，沿光轴Z-Z方向受力则不产生压电效应。,图1-50,所示为石英品体的外形。,上一页,下一页,返回,目逸谍留砾赂华丑觉胁酥币蹿哟鲸旺帝腺宛胆钎消杂灭沦焉班矽豢庞撤趴任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作3.石英晶体的压电效应上一页下,5,任务四振动报警电路的设计与制作,(1)纵向压电效应。,当沿电轴方向施力F,X,，在垂直于电轴的平面上产生电荷。在品体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比，可表示为,式中Q,XX,垂直于X轴平面上的电荷;,d,XX,压电系数，下标的意义为产生电荷的向的轴间及施加作用力的轴向。,F,X,沿品轴X方向施加的压力。,因此当品片受到X向的压力作用时，Q,XX,与作用力F,X,成正比，而与品片的几何尺寸无关。,上一页,下一页,返回,感催纪敌湾擒惜勺搐顽杭账绎既稼桌乃纹李琵戮思超刀塌捆秒橱凄衔朵腑任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作(1)纵向压电效应。上一页下一,6,任务四振动报警电路的设计与制作,(2)横向压电效应。,如果沿Y轴施力为F,Y,时，电荷仍出现在与X轴垂直的平面上，其横向压电效应产生的电荷为,式中 Q,XY,Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生的电荷;,d,XY,压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数;,F,Y,沿品轴Y方向施加的压力。,根据石英品体的对称条件d,XY,=d,XX,，因此有,上一页,下一页,返回,头戳级都蔫圾容炬栓搪辐忆撅焰堡戌丛起半酝檄佩漠鉴鸡烯嘴侦酒姿可和任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作(2)横向压电效应。上一页下一,7,任务四振动报警电路的设计与制作,由此可以看出，沿机械轴方向向品片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。,当石英品片沿X轴受压力或拉力时，电荷产生的极性变化如,图1-51,(a),(b)所示，当石英品体沿Y轴作用于压力或拉力时，电荷产生的极性变化如,图1-51,(c),(d)所示。,上一页,下一页,返回,沼笑骋亡陡痞慨付捧咙哄魏如纶惺裁咬消椒验襟真惑蓝风障缀复嫌铝铂充任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作上一页下一页返回沼笑骋亡陡痞慨,8,任务四振动报警电路的设计与制作,4.压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是一种经极化处理后的电体。材料内部的品粒由许多自发极化的“电畴”组成，每一个电畴具有一定的极化方向，从而存在电场。,在无外电场作用时，电畴在品体中杂乱分布，分布如,图1-52,(a)所示，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在外力电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外力电场的方向排列，从而使材料得到极化，如,图1-52,(b)所示。极化处理后陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，如,图1-52,(c)所示。,因此对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴。,当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的表面上会出现电荷，见,图1-53,，,上一页,下一页,返回,反房靖蛹策赡校揍椒力闹孔易冯闲坛洗屁拴银肄辆娠犁沛邦摔岗眼玛勃恼任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作上一页下一页返回反房靖蛹策赡校,9,任务四振动报警电路的设计与制作,5.高分子压电材料(PVDF),随着科技的发展，不断出现一些新型的压电材料。20世纪70年代出现了半导体压电材料，如硫化锌(ZnS)、锑化铬(CdTe)等，因其,既具有压电特性，又具有半导体特性，,故其既可用于压电传感器，又可用于制作电子器件，从而研制成新型集成压电传感器测试系统;近年来研制成功的有机高分子化合物，因其质轻柔软、抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击等特点，可制成大面积压电元件。为提高其压电性能，还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2-PZT)。,上一页,下一页,返回,质秦瞒备鞠否郸闸肥攻敏蔫柞骇醛诣掉敬轨卉嚏麓崖瞄怂熔姨钵诊且墅珊任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作5.高分子压电材料(PVDF),10,任务四振动报警电路的设计与制作,PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电品体的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度、声音和无损检测等。,PVDF有很好的柔性和加上性能，可制成具有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适宜做大面积的传感阵列器件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。,紫父驳每翟怔薛呻欢磺靶榨劫吱袒酌嗽醋陷公宠兰骂蕊帮魁四刮前允浩瑞任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作紫父驳每翟怔薛呻欢磺靶榨劫吱袒,11,任务四振动报警电路的设计与制作,(二)压电式传感器测量电路,1.压电元件的等效电路,当压电传感器中的压电品体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现等值极性相反的电荷。可把压电传感器看成一个两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容C,a,的并联电路，如,图1-54,(a)所示;也可等效为一个电压源u,a,和一个电容C,a,的串联电路，如,图1-54,(b)所示。,上一页,下一页,返回,墒谈隋蚊囤芥两攒挛堪酶余鸭喝歌宙床瞧啥雏硕赂稻奢喳膊翘夏扭榔侣杜任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作(二)压电式传感器测量电路上一,12,任务四振动报警电路的设计与制作,传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存;否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能,无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。因此，压电品体不适合于静态测量。,如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连线的等效电容，还必须考虑电缆电容C,C,，放大器的输入电阻R,u,和输入电容C,u,以及传感器的泄漏电阻R,a,。其等效电荷源如,图1-55,(a)所示，等效电压源如,图1-55,(b)所示。,上一页,下一页,返回,少雀桃锥廊酶陷叛售母剃掇砍屹朽目波纫伺阅猪习忠弱闽宛姻笋聋乙伺铃任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作上一页下一页返回少雀桃锥廊酶陷,13,任务四振动报警电路的设计与制作,2.压电式传感器的测量电路,压电式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要接入一个高输入阻抗的前置放大器，,其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;,二是放大传感器输出的微弱信号。,压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式，,上一页,下一页,返回,即电压放大器和,电荷放大器。,园封雹谢爽货褒蓑曲歹者炉跨冲牌套喀红锦彝乘靛呻姨糊斟灰细耍技诈徒任务四振动报警电路的设计和制作任务四振动报警电路的设计和制作,任务四振动报警电路的设计与制作2.压电式传感器的测量电路上一,14,任务四振动报警电路的设计与制作,(1)电压放大器,。,电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大。因此，也把这种测量电路称为阻抗变换器，如,图1-56,所示。,串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而