微振动测试仪设计
电子信息工程08级2班 指导老师：
摘要：微振动测试仪的设计主要组成部分为压电式加速度传感器、电荷放大器和运算放大器。压电传感器用于信息的采集；通过电路连接把所采集的信息传递给电荷放大器，对微弱的电荷信号进行放大，除了电荷放大，还要用运算放大器再一次对信号进行放大。这样，输出的电压就会反映出物体的振动状态。
关键词：压电传感器 ；振动 ；加速度；放大
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第一章 整体电路设计
整体电路组成框图如图1-1所示：
信息输入 压电 传感器 电荷 放大器 运算 放大器 输出 稳压电图1-1
整体电路工作原理：将被测物体与传感器放在一起，当物体受到振动时，传感器将这种微弱的振动传递给电荷放大器，电荷放大器对微弱的电荷信号进行放大。然后，还要再一次将信号用运算放大器进行放大，然后再将该信号输出，这样就可依据输出的电压判断振动的大小。
微振动测试仪用于各种大型构件、桥梁、水坝、高层建筑、船舶、海流等的晃动测量；精密机械制造和超大集成规模电路的生产，为保证成品的精度，要求生产环境的振动位移限制在即微米到几百微米之间（1～10Hz），也就是说它的加速度g值在几μm/s2～百μm/s2之间，相当于10^-6g级的振动，对这种环境也需要微振动测试仪进行监测。
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第二章 压电式传感器
第一节 压电式传感器工作原理
一 压电效应
某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使它变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷，当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应，如图2-1所示 。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场（加电压）作用时，这些电解质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)，如图2-2所示。具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。
图2-1 图2-2
在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比即
Q=d33F （2-1）
式中d33—一压电常数。
二 压电陶瓷
压电陶瓷在没有极化前不具有压电效应，是非压电体。压电陶瓷经
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过极化处理后有非常大的压电常数。压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即应力沿极化方向），则在这两个极化面上分别出现正负电荷，其电荷量Q与力F成正比，即
Q=d33F （2-2）
式中，d33为压电陶瓷的纵向压电常数。
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，属铁电体一类的物质，具有类似铁磁材料磁畴结构的“电畴”结构。电畴是压电材料内分子自发极化而形成的微小极化区域，有一定的极化方向，而存在一定电场。在无外电场作用时，各电畴在晶体材料中无序排列，它们的自发极化效应相互抵消，陶瓷内极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。当原始压电陶瓷材料在外电场作用下，其内部各磁畴的自发极化将发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料得到极化。经极化处理（2～3h）后，撤销外电场，陶瓷材料内部仍存在很强的剩余极化。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，因此引起极化强度的变化，于是压电陶瓷便具有了压电效应。
图2-3
经极化后的压电陶瓷材料，由于存在剩余极化强度，这样在陶瓷片极化的两端就出现束缚电荷，一端为正电荷，一端为负电荷，如图2-4。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极表面上很快吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片极化强度对外的作用，因此，陶瓷片对外不表
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现极性。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，电畴发生偏转，片内正、负束缚电荷之间距离变小，极化强度也变小，因此，原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分释放而出现放电现象。当压力撤销后，陶瓷片恢复原状，片内正、负电荷之间距离变大，极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由于机械效应转变为电效应或者说由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力的大小成比例，即
Q=d33F （2-3）
图2-4
第二节 压电加速度传感器原理
一 工作原理
压电式加速度传感器又称压电加速度计，属于惯性式传感器。它是利用某些物质的压电效应，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。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压电式加速度传感器的结构原理图如图2-5所示：
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传感器课程设计
