傳感器課程設(shè)計壓電陶瓷(共19頁)

1、東北(dngbi)石油大學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 傳感器課程設(shè)計 題 目 壓電陶瓷傳感器應(yīng)用電路設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 測控12-2 學(xué)生姓名 王辰 學(xué)生學(xué)號 120601240217 指導(dǎo)教師 鄒彥艷、劉繼承 2015年7 月 8日任務(wù)書課程(kchng) 傳感器課程設(shè)計題目 壓電陶瓷(toc)傳感器應(yīng)用電路設(shè)計專業(yè) 測控(c kn)技術(shù)與儀器 姓名 王辰 學(xué)號 120601240217 主要內(nèi)容：本課題針對生活安全性能要求日益提高以及新型材料的日益發(fā)展設(shè)計應(yīng)用壓電陶瓷傳感器的原理制成的聲傳感器，并以此為基礎(chǔ)組合成聲控報警器件，分析傳感器原理及相應(yīng)輔助電路原理，計算有關(guān)參數(shù)，

2、并加以總結(jié)。設(shè)計內(nèi)容包括壓電陶瓷的原理，壓電陶瓷制成聲傳感器的方式以及進(jìn)一步對聲控報警器的組合。通過聲控報警器可以使個人防盜不僅局限于樓道車庫等場所，更趨向于精密化來減小體積使其適用于更有針對性的地方。基本要求：1掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)輔助電路的設(shè)計方法；2獨(dú)立設(shè)計原理圖及相應(yīng)硬件電路；3設(shè)計格式規(guī)范、層次合理、重點(diǎn)突出、并有詳細(xì)的原理圖。主要參考資料： 1 謝嘉奎，電子線路M.北京：高等教育出版社，199 7.102 劉潤華,劉立山.模擬電子技術(shù)M.山東:石油大學(xué)出版社，2003.63 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，1999.74 方大千.實用電子制作精選M.科學(xué)技術(shù)文

3、獻(xiàn)出版社，2003.1完成期限 2015.7.42015.7.8 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2015年 7 月 1 日傳感器課程設(shè)計摘 要壓電陶瓷是一種(y zhn)具有壓電效應(yīng)的多晶體，由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似因而得名。壓電陶瓷傳感器是以壓電陶瓷的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在其表面上產(chǎn)生電荷，從而(cng r)實現(xiàn)非電量測量。壓電陶瓷傳感器的特點(diǎn)是具有：轉(zhuǎn)換(zhunhun)性能、機(jī)械性能、電性能、環(huán)境適應(yīng)性和時間穩(wěn)定性，由于它的壓電性以及由此引起的機(jī)電性能的多樣性獲得了廣泛應(yīng)用。一般可將這些應(yīng)用分成兩大類，即作為壓電振子使用和作為換能器使用。作為壓電振子使用時要求壓電陶瓷材料有

4、好的頻率溫度穩(wěn)定性及較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（表示振動轉(zhuǎn)換時材料內(nèi)部能量消耗的程度）；作為換能器使用時要求有較高的機(jī)械藕合系數(shù)等于機(jī)械轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?輸入機(jī)械能，或電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能/輸入電能)和較大的相對介電常數(shù)，本文將介紹幾種壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：壓電陶瓷傳感器；聲控報警；電子打火；壓電變壓器目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc6471 一 、設(shè)計(shj)要求 PAGEREF _Toc6471 1 HYPERLINK l _Toc2720 1、功能(gngnng)與用途 PAGEREF _Toc2720 1 HYPERLINK l _Toc21334 2、

5、課題研究(ynji)的意義 PAGEREF _Toc21334 1 HYPERLINK l _Toc28382 3、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc28382 1 HYPERLINK l _Toc6011 二、設(shè)計方案及其特點(diǎn) PAGEREF _Toc6011 1 HYPERLINK l _Toc22391 1、方案說明 PAGEREF _Toc22391 1 HYPERLINK l _Toc10168 2、方案論證 PAGEREF _Toc10168 2 HYPERLINK l _Toc3400 三、傳感器工作原理 PAGEREF _Toc3400 2 HYPERLINK l _To

6、c1237 四、 電路的工作原理 PAGEREF _Toc1237 3 HYPERLINK l _Toc25574 五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇 PAGEREF _Toc25574 4 HYPERLINK l _Toc31286 1、單元電路設(shè)計 PAGEREF _Toc31286 4 HYPERLINK l _Toc909 2、參數(shù)計算 PAGEREF _Toc909 8 HYPERLINK l _Toc2920 3、器件選擇 PAGEREF _Toc2920 8 HYPERLINK l _Toc3201 六、總結(jié) PAGEREF _Toc3201 9 HYPERLINK l _To

7、c25065 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc25065 11傳感器課程設(shè)計 PAGE 12聲控(shn kn)報警器電路設(shè)計一 、設(shè)計(shj)要求1、功能(gngnng)與用途聲控報警器通過利用壓電陶瓷的壓電特性，可以將聲音即機(jī)械波轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而可以聲控報警。聲控報警器多應(yīng)用于住宅、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、以及一些私人場所的防盜。2、課題研究的意義近年來,電子電器飛速發(fā)展，人民生活水平提高，各種高級家電產(chǎn)品和貴重物愈來愈多，那么防盜就成了不可或缺的一不要分，而報警器就可以幫人們解決這一問題?，F(xiàn)市場上大部分報警器價格昂貴，人們難以接受。若設(shè)計一種廉價、性能靈敏可靠的防盜報警器，必將在防盜和保證

8、財產(chǎn)安全方面發(fā)揮更加有效的作用。由于聲控報警器體積小，靈敏度高，具有很強(qiáng)的隱蔽性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛應(yīng)用。另外價格低廉，性能穩(wěn)定受到人們的青睞。在現(xiàn)實生活中，傳統(tǒng)的聲控報警器有著諸多的缺點(diǎn)，而且造價昂貴，無法做到在生活中通用，本文通過研究以壓電陶瓷為核心而制成的聲控報警器來改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，減少使用者所需要的費(fèi)用，并且使聲控報警器更加耐用，靈敏度得到提升，更加平民化，使其應(yīng)用于更多適用場合。3、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展較為迅速但是仍然不成熟，目前應(yīng)用于商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)的場合較多，私人場合也有部分應(yīng)用，以國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上正在向減少成本，提高性能的方向上發(fā)展；國外發(fā)展趨于成熟，幾乎

9、在每個人家中都配有聲控報警器并建立有一系列的報警網(wǎng)絡(luò)，所以國外的主要研究方向為提高聲控報警器的靈敏度、性能等方面，在“精”的方面上做工作。二、設(shè)計方案及其特點(diǎn)1、方案說明對于(duy)聲控(shn kn)報警器的設(shè)計可分為(fn wi)下面三種不同的設(shè)計方案：方案1 ：采用壓電陶瓷片采集聲音信號，采用LM324放大經(jīng)過反向后輸出，輸出信號觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器工作，觸發(fā)報警電路； 方案2 ：采用壓電陶瓷片采集聲音信號，經(jīng)三極管C9013反向放大后觸發(fā)一個NE555芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管工作，發(fā)光二極管和蜂鳴器兩端用穩(wěn)壓管使電壓穩(wěn)定； 方案3 : 在方案1的基礎(chǔ)上增加

10、多諧振蕩器，再輸出到報警部分兩端，驅(qū)動其工作，仍然采用穩(wěn)壓管使其穩(wěn)壓，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值不能高于5V，否則就不起作用，電路增加元件；系統(tǒng)框圖：放大電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器聲音采集電路報警電路多諧振蕩器 圖1 方案原理框圖2、方案論證方案1 ：采用壓電陶瓷片采集聲音信號，采用LM324放大經(jīng)過反向后輸出，輸出信號觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器工作，觸發(fā)報警電路，但是使輸出反向比較麻煩且元件利用率不高，LM324只利用了其中一部分，并且觸發(fā)信號沒必要太大，不予采用； 方案2 ：采用壓電陶瓷片采集聲音信號，經(jīng)三極管C9013反向放大后觸發(fā)一個NE555芯片構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管工作，發(fā)光二極管和

11、蜂鳴器兩端用穩(wěn)壓管使電壓穩(wěn)定，但是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是低電平觸發(fā)，時間比較短暫，報警不明顯，不易覺察，但是可以通過加入放大元件來改善，予以采用。 方案(fng n)3 : 在方案(fng n)1的基礎(chǔ)上增加多諧振蕩器，再輸出到報警部分兩端，驅(qū)動其工作，仍然(rngrn)采用穩(wěn)壓管使其穩(wěn)壓，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值不能高于5V，否則就不起作用，電路增加元件，使得電路變得復(fù)雜，經(jīng)費(fèi)增多，不予采用。三、傳感器工作原理壓電陶瓷傳感器采用特殊材料制成。某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生機(jī)械變形時，相應(yīng)地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號相反的電荷（即產(chǎn)生電位差），外力去掉后，電荷消失。力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變，這種現(xiàn)象

12、稱壓電效應(yīng)（正壓電效應(yīng)）。反之當(dāng)晶體帶電或處于電場中，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱壓電元件或壓電材料。壓電材料分為兩類：其中一類是單晶壓材料（如石英晶體）；另一類是極化的多晶壓電陶瓷（如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等）。壓電陶瓷是人造多晶體，材料內(nèi)的經(jīng)歷有許多自發(fā)極化電疇。在極化處理之前，各晶粒內(nèi)電疇任意方向排列，自發(fā)極化的作用相互抵消，陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。在陶瓷上施加外電場時，電疇自極化方向轉(zhuǎn)至與外電場方向一致，此時擁有一定的極化強(qiáng)度。當(dāng)外電場撤出后，各電疇的自發(fā)極化方向在一定程度上按原外加電場方向取向，陶瓷極化強(qiáng)度并不立即恢復(fù)到零，此時存在剩余極化強(qiáng)度。同時陶瓷兩端出現(xiàn)束

13、縛電荷，一端為正一端為負(fù)，由于束縛電荷的作用，兩段很快吸附一層外界的自由電子這時束縛電荷與自由電荷數(shù)值相等極性相反因此陶瓷片對外不顯極性。如果在壓電陶瓷上加上一個與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)自由電荷之間距離減小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，因此吸附在表面的自由電子有一部分被釋放呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)外力撤銷時，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度增大，又吸附一部分自由電荷，呈現(xiàn)充電現(xiàn)象。 (1)電路的工作(gngzu)原理本設(shè)計利用壓電陶瓷片作為聲傳感器獲得(hud)電壓，經(jīng)三極管9013反向放大后觸發(fā)由NE555集成芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器,輸出電壓驅(qū)動蜂鳴器和發(fā)光二極管工作。圖2

14、 總原理(yunl)電路圖五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇1、單元(dnyun)電路設(shè)計（1）聲音(shngyn)采集放大振動板陶瓷片圖3 壓電陶瓷(toc)片的振動方式 壓電蜂鳴片由壓電陶瓷片和金屬振動板粘粘而成，由振蕩電路激勵，通過壓電效應(yīng)，采集聲音信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，其振動方式如圖3；這部分電路比較簡單，由壓電陶瓷片采集聲音，使其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過三極管共射反向放大后觸發(fā)由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)時基電路。放大倍數(shù)只要夠大就能夠觸發(fā)后面電路工作。（2）時鐘信號產(chǎn)生電路NE555NE555時基集成芯片的電路結(jié)構(gòu)和芯片引腳圖如圖4所示。他含有兩個電壓比較器C1、C2，一個基本RS觸發(fā)器，一

15、個放電開關(guān)管Td，比較器的參考電壓由三只5K的電阻構(gòu)成的分壓器提供。圖4 NE555內(nèi)部(nib)結(jié)構(gòu)圖圖5 NE555內(nèi)部(nib)引腳圖分壓器分別使高電平比較器C1的同相輸入端和低電平比較器C2的反相輸入端的參考(cnko)電平為2Vcc/3和Vcc/3。C1、C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號從6腳輸入并超過參考電平2Vcc/3時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出3腳為低電平，同時放電開關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號從2腳輸入并低于Vcc/3時，基本RS觸發(fā)器置位，555的輸出Vo為高電平，同時放電開關(guān)管截止。4腳是復(fù)位腳，當(dāng)為低電平時，555輸出低電平。平時4腳開路或接Vcc。5

16、腳是外加(wiji)控制電壓輸入端，當(dāng)5腳外接一個輸入(shr)電壓時，則改變比較器的參考電壓，不接外加電壓時，5腳通常(tngchng)接一個0.01uF的電容到地，用來消除外來的干擾，以確保參考電平穩(wěn)定。Td是放電管，當(dāng)Td導(dǎo)通時，為放電端7腳提供低阻抗放電通路。555定時器主要通過電阻R和電容C構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。利用它可以構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路。由NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路由NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖6所示，將555定時器的2號腳作

17、為外觸發(fā)信號的輸入端，將THR輸入端與放電三極管TD的放電端DISC連在一起，并接在RC回路中的VC端。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的外觸發(fā)信號的有效電平為低電平，如果沒有觸發(fā)信號，V1處于高電平。這時，放點(diǎn)三極管導(dǎo)通VC約為0使得VC1=1、VC2=1,基本RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài)，Q=0,VO=0,這是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)。GNDRAInput1OutputVCC2674583VCCCONTRESETDISCHTHRESTRIG圖6 由NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路 圖7 由NE555構(gòu)成(guchng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形圖在輸入脈沖下降(xijing)沿的觸發(fā)下，V12跳變(tio bin)到VCC/

18、3以下，RS被置1，輸出為高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，TD截止，VCC開始經(jīng)過RA對電容充電。當(dāng)VC電壓上升到VC2VCC/3時，如果此時輸入的觸發(fā)已消失，V1回到高電平，則RS觸發(fā)器將被置0，輸出返回V0=0狀態(tài)。同時TD變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電容CA通過TD迅速放電，直到VC約等于0，電路自動恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。在輸入觸發(fā)信號作用下，VC和VO相應(yīng)的電壓波形如圖7所示。由NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路CRBRA1VCCOutput2674583VCCCONTRESETDISCHTHRESTRIGGNDGNDOUT圖8 由NE555構(gòu)成(guchng)的多諧振蕩器用555定時器構(gòu)成(guchng)的多諧振蕩器電路

19、如圖8所示。R由RA和RB兩只電阻組成(z chn)，兩個電阻的中點(diǎn)接到放電三級管Td的放電端7腳。比較器電壓由電源Vcc經(jīng)三個電阻分壓形成。外接控制電壓輸入端未用，經(jīng)0.01uF電容接地，以防干擾。電路沒有穩(wěn)態(tài)，電路亦不外接觸發(fā)信號，利用電源通過RA,RB向C充電，以及C通過RB向放電端放電。電容C在Vcc/3和2Vcc/3之間充電和放電，其波形如圖9。 圖9 由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器工作波形圖（3）報警電路此部分由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，其中發(fā)光二極管和蜂鳴器為串聯(lián)，發(fā)光二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下電阻約等于0，故可以串聯(lián)，在蜂鳴器與發(fā)光二極管兩端并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，起到保護(hù)作用，保證報警電路兩

20、端電壓不至于過高，并能夠使其穩(wěn)定工作。2、參數(shù)計算 電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過RA,RB向C充電，以及C通過RB向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在Vcc/3和2Vcc/3之間充電和放電。 （2） （3） （4）3、器件(qjin)選擇（1）器件(qjin)選擇R1至R8、Rp均為電阻(dinz)。C1至C5均為電容。B1為晶振，B2選用22mm的AD16系列蜂鳴器，V選用C9013型硅NPN晶體管,放大倍數(shù)為176。IC1、IC2選用NE555時基集成芯片，VL選用3mm的高亮度的發(fā)光二極管。 （2）元器件清單表1 元器件清單序號元器件類型元器件

21、規(guī)格數(shù)量備注1電阻100k 4無2電阻56k 1無3電阻24k 1無4電阻1M 1無5電阻3M1無6電阻500k 1無7電容1f2無8電容10f2無9電容100f 1無10放大器C9013型硅NPN晶體管1無11NE555時基集成芯片標(biāo)準(zhǔn)2無12晶振27Hz1無13蜂鳴器22mm的AD16系列蜂鳴器1無14發(fā)光二極管3mm1無六、總結(jié)(zngji)如果使用的地方比較大，可以多用幾個壓電陶瓷片進(jìn)行多方位的監(jiān)視，壓電陶瓷片為并聯(lián)接法，也可以再多用幾個蜂鳴器和發(fā)光二極管并聯(lián)使用到不同的地方，增加報警所達(dá)到(d do)的范圍，能達(dá)到較好的防盜報警功能，但是缺點(diǎn)是沒有識別系統(tǒng)，也就是說無論是誰只要在一定

22、范圍內(nèi)發(fā)出聲音都會報警（只要發(fā)出的聲音能夠觸發(fā)該報警電路），所以這個報警系統(tǒng)如果加上識別系統(tǒng)才夠完美，但是這個成本就較高了。以前對電路的工作過程只能抽象地去理解，做電路板也都是進(jìn)行簡單的模仿，做這次課程設(shè)計剛開始也是模仿其他電路，結(jié)果不能調(diào)試出來，除了前面所說的原因外一個重要的原因就是沒有完全理解別人的電路，并且別人的電路不一定符合自己的要求，只有在別人電路的基礎(chǔ)上自己設(shè)計出來的電路錯了才知道在哪里修改及怎樣修改，后來，翻閱了有關(guān)書籍，關(guān)于這次課程設(shè)計所要用到的一些電路的知識(zh shi)又重新復(fù)習(xí)了一下，終于完全明白了電路的原理，并且在以前的基礎(chǔ)上自己設(shè)計出了這次課程設(shè)計的電路，并且調(diào)試成功。模仿別人的電路做要幾天，并且不一定能夠調(diào)試成功，而用自己的電路一天就能成功，但是要在完全理解原理的情況下才能夠自己設(shè)計電路。首