传感器课程设计--压电式加速度传感器的设计

课程设计说明书题目：压电式加速度传感器的设计学院（系）：电气工程学院

课程设计（论文）任务书

院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。目录示例

目录

第1章摘要 (1)

第2章引言 (2)

第3章电路仿真及准备作 (3)

第4章压电式加速度传感器的参数设计及计算 (12)

4.1 结构设计 (12)

4.2 电容设计与计算 (12)

4.3 其他参数的计算 (12)

第5章误差分析 (13)

第6章结论 (14)

心得体会 (14)

参考文献 (15)

第一章摘要

传感器是一门集合多种科学技术的科学，它利用各种原理如光电效应、压电效应,等等的原理，来根据被测物体的变化来反映待测量的变化的科学。传感器是在现今科学领域中实现信息化的基础技术之一。现代测量、控制与自动化技术的飞速发展，特别是电子信息科学的发展，极大地促进了现代传感器技术的发展。传感器的使用也越来普遍，在当今社会里起到了很大的作用，与此同时传感器的技术要求也在不断提高，对传感器的设计，性能，功能提出了更高的要求，显而易见传感器在以后的社会发展中将会起到越来越重要的作用。

压电式传感器是基于压电效应的传感器。压电效应是一种能实现机械能与电能相互转换的效应，当有力作用于压电元件上时，压电元件会产生电荷，传感器中利用电荷放大电路，将电荷的变化表现到电压的变化，从而来确定待测物体的运动状态。经过一定转换电路来实现我们所需要的测量的输出。压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

第二章引言

压电式传感器是基于压电效应的传感器，就要求必须将电荷的变化通过电路来表现出来，这就要求将电荷的变化转换成电路中电流的变化或者电压的变化，此时必须用到电荷放大电路来实现。电荷放大电路是压电传感器的核心电路，它将电荷的变化转换电压的变化，从而实现了测量的意义，可以根据电压的变化来判断被测物体的变化或者运动状态。

电荷放大器能将高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷。它实际上是一种具有深度反馈的高增益放大器，输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的增益的变化以及电缆电容无关。由于反馈电容与输出电压反比，因此要达到一定的灵敏度要求，必须选择适当容量的反馈电容。使用电荷放大器的一个突出优点是，在一定的条件下，传感器的灵敏度和电缆的长短没有关系。

在设计压电传感器的过程中，电荷放大器是必不可少的一部分，设计内容中会对电荷放大器进行电路仿真并和实际响应进行比较以确定传感器的准确度。

第三章电路仿真及准备工作一电荷放大器

分析：

电荷放大器原理：电荷变换是该电荷放大器的核心部分，是一个具有电容负反馈的，输入阻抗极高的高增益运算放大器其中：a C 为压电传感器的等效电容，a R 为压电式传感器的等效绝缘漏电阻，Cc 为电缆等效电容，i C 为放大器的输入电容，i R 为放大器的输入阻抗，f C 为反馈电容，n U 是等效输入噪声电压，off U 是等效输入失调电压。如将

f C 折算到输入端，其等效电容为（1+K ）f C ，K 为运放的开环增益。由于反馈电容、传

感器电容、电缆电容及放大器电容并联，不计算噪声和失调电压的影响，电荷放大器的输出电压为

()[]

f i c a f a C K C C C jw R K Ri R jwKQ

U +++++⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛+++-=

11110

运算放大器的开环增益K 很大（约为104~106），故f R K /)1(+远大于a R 1+i R 1，

f C K )1(+远大于i C a C C C ++，此时a R ， i R ， a C ， c C 和i C 都可以忽略不计，

即压电传感器本身的电容大小和电缆长短对电荷放大器输出的影响可以忽略。

(1)o f

KQ

U C K C =-

++

式中C=a C +Cc +i C 因为放大器是高增益的，K >>1,所以一般情况下（1+K ）f C >>C,则有

o f

Q

U C ≈-

上式表明，当反馈电容f C 一定时，电荷放大器的输出电压与传感器产生电荷成正比，在实际电路中，考虑到电压灵敏度和量程的问题，一般f C 的值在100~10000pF 范围内选择。

,本设计选定10000pF ，即10nF 。

当开环增益A 很大，f R K /)1(+远大于a R 1+i R 1，f C K )1(+远大于

i C a C C C ++不能忽略，

（2..19）式可表示为：

jw

G C Q

C K jw R K

jwKQ U f f f

+-=

+++-=

f

0)1(1 （1.4）

当频率够低时，jw G f 就不能忽略。因此式（2.20）是表示电荷放大器的低频响应。

F 越低，f f

C w G =时，其输出电压幅值为：

f

C Q U 20=

二 调频测量电路

分析：

调频测量电路是振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化使，振荡器的振荡频率发生变化虽然可以将频率作为测量系统的输出，用以判断被测非电量的大小，但此时是非线性的，不易矫正。仿真电路时可以将图示中c1电容变化会使输出电压也随之发生变化。