综合训练设计报告书

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1、综合训练设计报告书摘要简易震动报警器，主要应用于汽车玻璃、防盗玻璃等破碎时发出警报。在此，选择常用的以石英晶体为敏感元件的压电传感器，来获取玻璃破碎时震动量。也就是说，应用压电效应将震动这一非电量转换成电量。由于此模拟信号很微弱，需经过放大和滤波后，再输入到A/D转换模块。将模拟量转换成数字量，送到微型计算机系统。当此震动信号大于所设定的阈值时，单片机控制报警器发出警报。关键字：压电传感器A/D转换单片机报警器1综合训练设计报告书第一部分硬件设计第一章被测对象的分析简易震动报警器系统框图如1-1所示。被测量传感器模拟输入通道单片机报警器图1

2、-1简易震动报警器系统框图被测量为玻璃震动的情况。当玻璃破碎时产生剧烈震动。一般来说，车玻璃常用的是钢化玻璃，而钢化玻璃每平方米所能承受的最大压为125106N。与此同时，贴在玻璃表面的压电元件每平方毫米所承受的压力为：125N。第二章传感器系统的设计传感器系统由传感器、放大器以及滤波器组成。一般来说，常用于测玻璃破碎的震动传感器有应变式、压电式、压阻式等。应变式传感器具有精度高、体积小、质量轻，测试范围宽、耐振动和冲击性能良好等优点，但输出信号较小，测试精度受温度的影响较大，且温度补偿较为严重。压阻式传感器体积小、输出信号大、灵敏度高、

3、动态特性好、精度高、频响高、质量轻等优点，但受温度影响也很严重。而压电式传感器体积小、质量轻、频率响应高、灵敏度高、工作可靠，主要用来测动态参量。因此，选择具有良好动态性能得压电传感器。2.1压电式传感器的设计2.1.1压电效应及压电材料一、压电效应某些电介质，在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在他的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外里去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极

4、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”。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换。二、压电材料压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要性能参数有：压电常数、弹性常数、介电常数、机械耦合系数、电阻居里点温度等。表2-1给出了常用压电材料的性能参数。2综合训练设计报告书表2-1常用压电材料性能参数1、石英晶体石英晶体化学式SiO2，是单晶体结构，是一个正六面体。其各个方向的特性是不同的。其中纵向轴称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的称为电轴，与光轴和电轴同时垂直的轴称为机

5、械轴。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷点压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴方向的力作用时不产生压电效应。当沿电轴方向施加作用力时，在于电轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为qdF（2-1）x11x式中：d——电轴方向受力的压电系数；11F——电轴方向的作用力。x若沿机械轴方向施加作用力，则任在于电轴垂直的平面上产生电荷，其大小为aqdF（2-2）x12yb式中：d——机械轴方向的压电系；12a、b——晶体切片的长度和厚度。F——机械轴方向的作用力。y3综合训练设计报告

6、书电荷q、q的符号由受压力还是受拉力决定。xy2、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的计划方向，从而存在电场在无外力作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自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。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场排列，从而使材料得到极化。极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴界限发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化。这种因受而产生的由机械转变为电效应，将机械能转变

7、为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：qdF（2-3）33式中：d——压电陶瓷的压电系数；33F——作用力。为了简便起见，在此选用电轴方向受力的石英晶体，作为压电传感器的敏感元件。常用的石英晶体的主要性能参数如表2-2所示。表2-2常用石英晶体主要性能指标12代入受力125N和介电常数d2.310C/N，得压电传感器的电荷量为11-12-10q2.3101252.8710C（2-4）4综合训练设计报告书2.1.2压电式传感器等效电路由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看做一个电荷发

8、生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的量表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为Ar0C（2-5）ad式中：A——压电片的面积；d——压