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 jwKQU +++++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++-=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 fKQU 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 fQU 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：jwG C QC K jw R KjwKQ U f f f+-=+++-=f0)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 fC w G =时，其输出电压幅值为：fC 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。

三差动变压器等效电路分析：理想情况下的差动变压器输出电压为零，但实际上存在有零点残余电压，主要是两次级线圈的电气参数与几何尺寸不对称造成的。

四电桥电路分析：电桥电路中，万用表测量的是输出电压，函数发生器是输入电压。

在仿真过程中分别改变R1阻值， R1和R2阻值，R1、R2、R3、R4的阻值分别形成了单臂电桥、两臂差动电桥、全桥电路。

可以通过输入输出的电压值来确定电桥电路的性质及特点。

五电容式差压电路分析：图示是电容式差压电路，其原理和差动电路的原理相仿，改变图示中c1的电容量，输出电压值会变换，同时电压的正负也会发生变化。

六 桥式整流∏滤波电路XSC1ABExt Trig++__+_XMM1C1220uFC2220uFR1100¦¸1%L1300mHD1MDA25001243T1TS_PQ4_10V1220 Vrms 50 Hz 0¡ã 12453分析:第一幅波形图是稳定之前的波形图，第二幅是稳定之后的波形图。

七 全波整流电路XSC1A BExt Trig++__+_D11N4007D21N4007R11k¦¸5%V120 Vrms 50 Hz 0¡ã V220 Vrms 50 Hz 0¡ã214分析：全波整流电路是根据二极管的单项导电的特性进行全波整流的实现，如图是之前的信号，下面的是经过全波整流之后的信号波形。

八 积分电路U1VCCVEEVCCVEER11R2V1C1R32R40XSC143分析：上图是典型的积分电路图。

由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始电量为零，故此时给电容充电。

由理想运算放大器的虚短、虚断性质得，（vi-0）/R=C*d(0-vo)/dt,所以vo=-1/（RC）∫vdt.如果把R1和C换个位置，就成了微分电路（但输入的电压应该是交流信号才可通过电容）。

九三相整流桥电路V11 Vpk 1 Hz 0°V21 Vpk 1 Hz 120°V31 Vpk 1 Hz 240°D11N4009D21N4009D41N4009D51N4009 17D31N4009D61N400934R11kΩXSC1A BExt T rig++__+_C1100uF6分析：三项整流桥电路也是利用的二极管的单项导电性质进行对交流信号的选择性通过来形成的。

十 同相比例放大电路U1ALM324AJ321141R11k ΩR22k ΩR31k Ω12V12 Vrms 1k Hz 0°R41k ΩXSC1A BExt Trig++__+_43第四章压电式加速度传感器的参数设计及计算4.1 结构设计压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

它是典型的有源传感器。

利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。

压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。

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，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。

压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。

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。

其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。

4.2电容设计和计算由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。

同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两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Ca=εrεo/d式中A为晶片电极面面积；r为压电材料的相对介电常数；0为真空介电常数。

因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用如下：(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。

(2)放大传感器输出的微弱信号。

本设计中前置放大器采用电荷放大器。

压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻iR、输人电容iC及压电传感器的泄漏电阻aR。

4.3其它性能参数计算1 迟滞特性迟滞特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入曲线不重合的程度，也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷。

2 重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度，若特性曲线一致，重复性就好，误差也小。

3 线性度把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟合直线，其方程式为Y=kx＋b式中y为输出量；x为输入量；b为y轴上的截距；k为直线的斜率。