压电式压力传感器(带信号放大解调滤波电路)

题目：压电式压力传感器的设计
姓名：刘福班级：3 学号：********** 专业：测控技术与仪器
目录
引言
第一章传感器基本原理
第二章传感器的基本要求
第三章传感器的结构设计
第四章传感器的参数计算
第五章测量电路信号处理电路
总结
参考文献
一、引言
此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。

设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计，还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。

本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构，利用纵向压电效应进行工作，在设计中压电材料采用石英晶体。

由于安装中需施加预紧力，以保证该传感器的线性度良好，故留出一定的过载量，本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数，未讨论预紧力的选用范围，可能还存在一些其他因素，如安装误差等可以影响设计传感器的性能，属于正常范围内，使用中可忽略。

压电式传感器的设计，主要是让同学们了解传感器的设计过程，知道如何计算一些参数，如何设计尺寸，如何选择材料，把自己学到的知识熟练灵活的运用起来，活学活用，加深对传感器这门课程的认知。

第一章传感器基本原理
1、基本原理：压电效应
压电式传感器是基于压电效应的传感器。

是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成。

压电材料受力后表面产生电荷。

此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

常见有以下几种压电效应模型（见图1）
图1
压电效应可分正压电效应和逆压电效应。

正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用,内部就产生电极化,同时在某两个表面上产生符号相
反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。

压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。

用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。

压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、面切变型5种形式。

（见图2）。

图2
2、石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。

定义：
x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强,称为电轴。

y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。

z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。

当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为Qx = d11 Fx。

式中: d11——x方向受力的压电系数
Fx——作用力
若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,
其大小为Qy=d12Fy a/b
式中: d12——y轴方向受力的压电系数
d12=-d11
a、b——晶体切片长度和厚度
（1）当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。

（2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。

（3）当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。

在y轴方向上不出现电荷。

（4）如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。

这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。

3、压电关系表达式：Q=d*F，其中d：压电常数
更一般表达式：电荷密度q ，（用单位面积受力表示）
其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；
j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向
如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷
受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式：
受z向力作用后在z方向产生电荷的表达式：
各表达式见图片：
第二章传感器的基本要求
基本要求
1．工作在常温、常压、静态、环境良好
2.精度：0.1%FS
3.测量范围700kg
4.装配图一张，零件图一张
5.电路图一张
第三章传感器的结构设计
传感器的结构设计及计算
传感器的结构如下图
图一
1、顶盖
2、敏感元件
3、导电片
4、基座
5、外壁
6、预紧螺钉
该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。

通过预紧螺钉加预紧力，将顶盖、基座和外壁焊接为一体，输出插座可与同轴低噪声电缆连接。

第四章 传感器的参数计算
1、压电晶体（石英）的几何尺寸
石英片在机械强度上必须满足公式 δF S ≥
式中： S 为石英晶片的受力面积
F 为传感器待测力的最大力
δ为石英晶体的许用应力，为17.5 2/kg mm
本设计中传感器的额定负载为400 kg ，由于包括预紧力，并留出一定的过载量，取最大负载量为700 kg ，因而S ≥ 40 2mm 。

设计中取晶片的长为10 mm ，宽为6 mm ，受力面积60 2mm 。

2、石英片的晶片电容值
d S
r 00εε=C
这里取每片石英片的厚度为1.2mm ，石英的r ε=4.5，每片石英片的电容0C =1.99pF
为了提高传感器的灵敏度，取两片石英片并联方式，所以总的电容大小为
3.98pF 。

3、传感器刚度参数计算
设在外力F 的作用下，传感器的变
形为x δ，12()x F k k δ=+
式中：1k 为敏感部分的组合刚度
2k 为辅助部分组合刚度
图二 在晶片数一定时，112k k k +决定了传感器的精度，因此，在结构设计中应确保112
k k k +尽可能大。

根据公式 ES K L
= 式中：E:弹性模量
S:受力面积
L:受力方向厚度
石英片的弹性模量为80 GPa ，受力面积为60 2mm ，厚度为2.4 mm ，它的刚 度q k =2.00⨯610mm N
导电片（银片）的弹性模量为71 GPa ，受力面积为60 2mm ，厚度为0.1 mm ，它的刚度d k =4.26⨯710 mm N
顶盖（铝合金）的弹性模量70 GPa ，受力面积为80 2mm ，厚度为1.0 mm ，它的刚度为t k =5.60⨯610 mm N
基座（钛合金）的弹性模量为120.2 GPa ，受力面积为70 2mm ，厚度21 mm ，它的刚度b k =4.01⨯510 mm N
预紧螺钉（钢质）的弹性模量为20.5 GPa ，受力面积35 2mm ，厚度为12 mm ，它的刚度s k =5.98⨯410 mm N
根据公式3
22(1)
Eh K a μ=- 式中： E:弹性模量
h:厚度
a:直径
μ：材料的泊松系数
顶盖的直径为12.1mm ，μ=0.33，
所以顶盖的弹性部分刚度't k =5.37⨯210mm N 外壁的受力面积为7 mm ，弹性模量21 GPa ，受力方向厚度为39mm ，它的刚度'b k =3.77⨯310mm N
敏感部分组合刚度1k 相当于顶盖，导电片，石英片，基座串联的刚度，即
d b q t k k k k k 11111
1+++==3.13⨯510mm N
辅助部分刚度2k 为顶盖弹性部分的抗弯刚度't k 与基座外壁的刚度'b k 串联，再与
预紧螺钉刚度s k 并联： s k k k k k k ++⋅='b
't 'b 't 2 =6.03⨯410mm N 传感器的总刚度为1k 与2k 的并联 21k k k +==3.73⨯510mm N
4、传感器的灵敏度
11112
q k s n d k k =+ 式中: n 为晶体片的数目
11d =2.31 N pC q s =3.88 N pC
5、传感器的谐振频率 m k f π21
0= 式中：m 为传感器的顶盖质量
m ρν==（2.7⨯310-⨯80⨯1）g=2.16⨯210-kg
所以f=20.91kHz
第五章 测量电路信号处理电路
1、信号放大电路
压电传感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)
在自控系统或一些检测系统中，常应用压电器件作为传感器，借以实现将非电量变为电信号，这类传感器等效的信号源具有内阻极高且信号很微弱的特点，因而也必须配接高输入阻抗的放大电路，而且放大电路还必须具有精确放大微弱信号的能力。

如图给出了高保真运放OPA604构成的放大电路。

该电路采用同相输入方式后可有效地提高放大器的输入阻抗，为了防止交流干扰，压电信号采用
屏蔽线输入，该电路的电压放大倍数为：。

）（1i 0V R 4R 1V V A +==
OPA604的主要参数:
2,、调制电路
只要用乘法器与测量信号x成正比的调制信号Ux= UxmCOSΩt与载波信号Uc= UcmCOSΩt
相乘，就可以实现双边带调幅。

3、相乘式相敏检波电路（带着低通滤波电路）如下：
电路图如下:
MC1496/MC1496B/MC1496P pdf datasheet
振幅调制信号的解调过程称为检波。

常用方法有包络检波和同步检波两种。

由于有载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行解调。

而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接
反映调制信号的变化规律，所以无法用包络检波进行解调，必须采用同步检波方法。

同步检波又分为叠加型同步检波和乘积型同步检波。

利用模拟乘法器的相乘原理，实现同步检波是很方便的，其工作原理如下：在乘法器的一个输入端输入振幅
调制信号如抑制载波的双边带信号us（t）= usmcoswctcosΩt，另一输入端输入同步信
号（即载波信号）uc（t）=ucmcoswc(t)，经乘法器相乘，由式（7-9）可得输出信号
U0（t）为
若US 为抑制载波的调制信号，经MC1496 同步检波后的输出波形Un
a有载波信号解调b抑制载波信号的解调
总结
经过半个月的努力，我的压电式压力传感器终于设计完了，在设计过程中，我遇到了很多问题，以前总是感觉很简单，没有实际动手过。

在这次设计中，我却被这些问题难住了，这就是所谓的知易行难吧。

同时也说明了，我们专业理论知识固然重要，但是缺了实际动手能力，在将理论转化为生产力的时候，就会碰壁！这充分说明了实践能力的重要性。

其次，我认为及时的跟老师联系沟通也很重要，老师懂得毕竟比我们多，经验也丰富，有些理论上的东西运作起来可行，但是实际操作却不行，这就要靠老师的经验。

总之，这次设计，我学到了很多。

参考文献：《测控电路》第四版天津大学。