压电加速度测试系统设计--课程设计说明书

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1、课程设计说明书题目：压电加速度测试系统设计工程测试技术课程设计任务书（2015—2016学年第2学期）课题名称压电加速度测试系统设计适用专业机械设计制造及其自动化班级课程设计时间1．课题内容简介及要求完成****测试系统总体设计及测试信号处理部分设计。主要内容是：（1）总体方案的确定。仔细分析给出的系统功能与参数，拟定总体方案。（2）传感器的选择。根据被测量的要求合理选择传感器，根据需要进行传感器的结构设计或安装布局设计。（3）信号调理电路设计。根据传感器输出信号的特点对信号进行处理，将信号转换成数字信

2、号，完成电路原理图的设计，并按要求撰写说明书。设计扩展要求：（1）显示电路的设计；（2）输出控制电路的设计。2.主要设计参数自行选择被测量，如温度、流量、压力、液位、位移、速度、加速度、振动、重量等，给出所选择被测量的具体应用环境，给出测量范围。3进度安排①设计准备0.5天(包括题目讲解说明1小时)②总体方案设计1天③传感器的选择1天(包括传感器的结构设计或安装布局设计)④测试电路的设计1天⑤撰写设计说明书0.5天⑥答辩1天4.工作量要求说明书字数：0.8-1万字图纸工作量：传感器结构示意图或安装布局示

3、意图1张电路图1张指导教师齐忠霞2016年6月15日目录1.简介2.测试方案设计3.测试系统组成3.1压电加速度传感器3.1.1组成3.1.2工作原理3.1.3灵敏度3.1.4加速度传感器的选用3.2电荷放大器3.2.1测试电路图3.2.2数据计算处理3.3动态信号分析仪4.实验测试流程5.说明总结6.参考文献压电加速度测试系统设计1.简介现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。

4、它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题，而动态测试中振动和冲击的精确测量尤其重要。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，质量轻，工作频带宽，结构简单，成本低，性能稳定等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。所以在此设计了一种压电式加速度测试系统，能够满足测试0—3G的低频

5、率加速度测试。2.测试方案设计系统组成：压电加速度传感器、电荷放大器、动态信号分析仪被测对象的振动加速度信号经传感器拾振，由传感器电缆将加速度信号送入该系统电荷放大器，电荷放大器将信号转换成电压信号并放大，通过数据采集测试仪采样，便实现对信号的采集。最后在PC端对实验数据进行处理并显示。如下图所示3.测试系统组成3.1压电加速度传感器3.1.1组成由质量块、压电元件、支座以及引线组成如下图所示3.1.2工作原理压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材料作基本元件，是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电

6、效应为转换原理的传感器。这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大

7、，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向(z方向)。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。设质量块作用于压电元件的力为F上，支座作用于压电元件的力为F下，则有F=Ma(1)F===(M+m)a(2)式中M为质量块质量；m为晶片质量；a为

8、物体振动加速度。由式(1)、(2)可得晶片中厚度方向(z方向)任一截面上的力为F=Ma+ma(1一z／d)(3)式中d为晶片厚度。则平均力为因晶片为压电陶瓷，极化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿着方向，故此时外加应力只有T3，不等于零，其平均值为式中A为晶片电极面面积。选用D型压电常数矩阵，得电荷C式中为压电常数。由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成，而晶片很薄，即有M》m，故式(6)通常写为由式(7)可知，压电元件的Q和、M成