加速度测量仪设计制作

如果在 x 轴方向施加拉力，体沿x方向将产生拉伸变形，正负离子的相 对位置也随之变动。如图6-3（b）所示，此时正负电荷重心不再重合， P1的增加，P2、P3的减小，，在x 轴正向呈负电荷，在x 轴负向呈正电 荷。
x ＋ － y ＋ o P1 － y ＋ － ＋ P2 x Fx x Fy y A ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ P1 － － P2 P3 C ＋ o ＋ － B － － － － Fy A － － － － － － ＋ P1 o － － P3 ＋
1.2 相关知识点分析

本项目单元主要讲述压电传感器的各项知识。 具体知识点如下： 1. 掌握压电传感器的工作原理； 2. 了解各种压电材料及特性； 3. 了解压电传感器的产生机理； 4. 理解压电元件的结构形式； 5. 掌握压电传感器的等效电路及测量电路； 6. 了解压电传感器的各种应用； 7. 了解振动的测量及频谱分析；
2 相关知识
2.1压电式传感器的理论基础 压电效应 某些电介质物体在沿一定方向受到外力的作用而发生变形，其 内部就会产生极化现象，并且在其表面上产生电荷，当外力撤 销后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效 应。简称压电效应。 反之，在电介质的极化方向施加电场或电压时，这些电介质将 产生几何形变，当撤销外加的电场电压后，电介质的形变也随 之消失，这种现象称为逆压电效应。 压电材料的压电特性常用压电方程来描述： Q=dF （6-1）
加速度测量仪设计制作
1 项目描述 2 相关知识 3传感器的认知 4 项目参考设计方案 5 项目实施与考核
1 项目描述
设计一种加速度测量仪实现对各种振动和冲击进行监测。 1.1 任务要求 1. 以压电传感器为传感元件； 2. 对于加速度的不同能够有明显区别的不同提示，可 酌情加分； 3. 当加速度到达低于或高于一定阈值时能够发出声光 报警，可酌情加分； 4. 鼓励采用单片机为控制单元，可酌情加分； 5. 最终上交调试成功的试验系统—加速度检测仪； 6. 要求有每个步骤的文字材料，包括原理图、使用说 明、元件清单、进程表、调试过程描述等。
式中Q-----为产生的电荷 d——压电常数。 F------为在晶体的弹性限度内施加的外力
2.2压电材料的分类及特性 压电式传感器中的压电元件材料主要有三 类：压电晶体（单晶体）：它包括压电石 英晶体和其它压电单晶；经过极化处理的 压电陶瓷（多晶体），也称为晶半导瓷， 为极化处理的多晶体；新型压电材料：有 压电半导体和有机高分子压电材料两种。
5.压电效应产生的机理
（a）
（b） （c） 图6-1 石英晶体外形与切片
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（d）
为了直观地了解石英晶体的压电效应，将构成石英晶体的硅离 子和氧离子在垂直于z 轴的 x y 平面上投影，则等效为一个正 六边形排列。 矩形晶体上受力与产生电荷的关系是：若沿X轴施加压力Fx， 则在与 x 轴垂直的平面（加压的两表面）上分别出现正负电荷； 若沿Y轴施加压力Fy，则在加压的两表面上不出现电荷，电荷 仍然出现在与 x 轴垂直的平面上，只是电荷符号相反。 若将X、Y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置与 施加压力时相同，仍然出现在与 x 轴垂直的平面上，但电荷的 符号与施加压力时相反。 当然用切向应力作用时也会产生电荷，此时可用力的分解方法 来考虑。通常把沿电轴 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；把沿机械轴 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 方向受力时不产生压电 效应。
4.压电材料的主要特性参数 ① 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直 接关系到压电元件输出灵敏度。 ② 弹性常数: 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固 有频率和动态特性。 ③ 介电常数: 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容特 性与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下 限。 ④ 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量 （如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡 量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。 ⑤ 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电 传感器的低频特性。 ⑥ 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
2.压电陶瓷 压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡压 电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷四大类。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大 得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 但介电常数、机械性能不如石英好。 由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种 不同的压电传感器。而且制造成本较低，因此，目前国内外生 产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。 3.高分子压电材料 高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯 （PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF2和PVDF的 压电常数最高。
1.石英晶体 石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。 突出的优点是性能非常稳定。石英晶体的主要性能特点： ①压电常数小（d＝2.31×10-12C／N），其时间和温度稳定 性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为 2.15106 /℃ ； ②强度和品质因数高，许用应力高达（6.8~9.8）×107Pa。且 刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十 分稳定，动态特性好； ③居里点高，达到573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均 好。 石英是理想的压电传感器的压电材料。石英晶体大多只在标准 传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在 一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。