壓電式傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

1、百度文庫-讓每個人平等地提升自我合肥騫物HEFEI UNIVERSITY自動檢測技術(shù)報/題 目壓電式傳感器的應(yīng)用與發(fā)展系 別 * 級自動化/班 級 * 班/姓 名 *指導(dǎo) 老師 * /完成時間 2011-11-28 /前言：壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信 噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與 之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)

2、， 使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得 了廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹壓電式傳感器的工作原理，在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：傳感器壓電效應(yīng)測振壓電式傳感器的發(fā)展及應(yīng)用壓電式傳感器是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓 電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。 此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。 壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要 防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要

3、采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外 力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變 時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量 與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電 效應(yīng)制成的。逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起 晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效 應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件 的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5種基本形式（見圖）。

4、壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的， 所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用 的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更

5、有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬 間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，/也可以用來測量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。壓電式加速度傳感器壓電式振動加速度傳感器在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用：發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的心臟，為保證飛機(jī)操作系統(tǒng)絕對安全可靠、飛行安全，必須在發(fā)動 機(jī)上安裝相應(yīng)的傳感器，用來測量發(fā)動機(jī)的工作參數(shù)，隨時監(jiān)控發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)。加 速度傳感器

6、在發(fā)動機(jī)研制、生產(chǎn)和使用過程中，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行振動測量和監(jiān)視。目前用 于航空發(fā)動機(jī)振動測量的傳感器主要是磁電式速度傳感器和壓電加速度傳感器。航空發(fā)動機(jī)振動非常復(fù)雜，工作環(huán)境又比較惡劣，對振動傳感器的要求非常苛刻，不僅要有好 的性能指標(biāo)，更重要的要具有長時間工作的可靠性和穩(wěn)定性。一、壓電式振動加速度傳感器的主要特點(diǎn)：(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)堅固，沒有活動部件，是一種慣性式固態(tài)傳感器，因而壽命較長。(2)頻率范圍很寬，從幾赫茲到幾千赫茲甚至幾十千赫茲，而且動態(tài)范圍很大，能測量從零 點(diǎn)幾個g到幾千個g的加速度，這特別適合于寬頻帶振動測量和分析。(3)能夠設(shè)計成耐高溫型，能在高溫環(huán)境中有效地工作，現(xiàn)在壓電加速度計

7、最高使用溫度為 700c以上，能滿足發(fā)動機(jī)高溫部位振動測量的要求，可在臺架試車時用于渦輪外環(huán)等高溫 部位的振動測量。(4)靈敏度高，穩(wěn)定性好，體積小，重量輕，安裝方便，能進(jìn)行長時間的振動測量和監(jiān)視， 而且其工作方向是任意的。因此，用于機(jī)載振動監(jiān)視的傳感器大多是壓電式振動加速度傳感器。但是，由于壓電式振動加速度計的輸出阻抗很高，而且對高頻敏感，因此， 使用時必須保證信號輸出插件絕對干燥、清潔和接觸可靠，否則，將產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾噪聲，影響使用。 二、壓電式振動加速度傳感器在航空發(fā)動機(jī)振動狀況監(jiān)測中的應(yīng)用。1 .測振加速度傳感器的校準(zhǔn)。目前，測振傳感器采用兩種方法來校準(zhǔn)：絕對校準(zhǔn)和比 / 較校準(zhǔn)。(1

8、)絕對校準(zhǔn)法是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ苯訙y定測振傳感器的特性參數(shù)。校準(zhǔn)時，測振傳 感器置于精密的激振臺上承受振動，通過直接測量振動的振幅、頻率和測振傳感器的輸出電量來確定測振器的特性參數(shù)。不斷改變試驗的激振頻率，可以校準(zhǔn)幅頻特性、相頻 特性。改變振幅大小，可以校準(zhǔn)測振傳感器的直線性。決定校準(zhǔn)精度是振幅、頻率和輸 出電量的測量精度，以及振動臺的正弦波。校準(zhǔn)精度高，需要使用較高精密的儀器，校 準(zhǔn)法主要有激光干涉校準(zhǔn)法和互易校準(zhǔn)法。(2)比較校準(zhǔn)法是取一個經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)過的測振傳感器作為基準(zhǔn)來和被測傳感器作對 比試驗，確定被測傳感器的性能參數(shù)。該方法較簡單，試驗時間較短，可以獲取滿足一 般要求的校準(zhǔn)精度。2

9、.測點(diǎn)選擇。航空發(fā)動機(jī)的振動測量，首先應(yīng)選擇合適的測振點(diǎn)用于安裝振動傳感器。由于受到傳感器技術(shù)水平的限制，傳感器耐受溫度不高、體積較大，只能將測振點(diǎn)選擇 在發(fā)動機(jī)的外部機(jī)匣上，而無法直接選在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子上。測振點(diǎn)離振源比較遠(yuǎn)，容易受發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)振動的干擾，測量誤差較大。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)耐高溫、可靠性 高、密封性好、防污染能力強(qiáng)的振動傳感器。一些新型發(fā)動機(jī)在設(shè)計時就將測振點(diǎn)從發(fā) 動機(jī)外部移動到內(nèi)部轉(zhuǎn)子支承點(diǎn)上。例如，CFM-56發(fā)動機(jī)就有一測振點(diǎn)選擇在前端風(fēng)扇的1號軸承座上。由于測點(diǎn)靠近振源，傳感器測出的振動信號更能準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)子的振 動狀況。3 .振動測量方法。隨著振動測量技術(shù)的不斷發(fā)展

10、，采用可靠的壓電加速度計測量發(fā)動機(jī)外部機(jī)匣的振動加速度信息， 然后將加速度計測出的信號經(jīng)二次儀表放大，通過濾波器顯示發(fā)動機(jī)振動加速度總量。 必要時選擇窄帶通濾波器或轉(zhuǎn)速自動跟蹤濾波器，顯示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的振動加速度。這種測量方法能夠直接測出發(fā)動機(jī)的振動加速度，不需要任何換算，減小了測量誤差。由于壓電加速度計堅固耐用，這種新的測量方法已被推 廣應(yīng)用。為保證飛行安全，空中飛行時也需要監(jiān)視發(fā)動機(jī)的振動狀況，這已是發(fā)動機(jī)振 動測量技術(shù)的新領(lǐng)域。一些先進(jìn)的運(yùn)輸機(jī)和客機(jī)已裝有發(fā)動機(jī)振動監(jiān)視系統(tǒng)，操作員能 夠通過監(jiān)視儀表隨時了解發(fā)動機(jī)的振動狀況。發(fā)動機(jī)振動監(jiān)視系統(tǒng)包括壓電加速度計、 數(shù)字式振動監(jiān)視儀、連接加

11、速度計和監(jiān)視儀的電纜、指示儀表、警告和控制裝置。4 .振動分析。對傳感器獲取的振動信息進(jìn)行分析，了解發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀況，以便及時 作出調(diào)整、維護(hù)。針對振動頻譜的不同頻段進(jìn)行分析，目前有多種不同的分析方法：通 過帶通濾波器測量發(fā)動機(jī)某一頻段的振動總量，必要時選擇窄帶通濾波器測量某一特定頻率的振動分量，進(jìn)行簡單的振動分析。這類分析簡單、方便，儀器價格便宜，因此， 在國內(nèi)發(fā)動機(jī)振動測量中應(yīng)用最普遍，但測量誤差較大。還可運(yùn)用快速傅里葉變換技術(shù)的數(shù)字式振動信號分析儀分析，它可以在測量現(xiàn)場對發(fā)動機(jī)的振動信號實(shí)時地進(jìn)行頻譜 分析，顯示或打印出發(fā)動機(jī)振動頻譜。 另外，可運(yùn)用機(jī)載發(fā)動機(jī)數(shù)字式振動監(jiān)視儀分析， 它能在飛行過程中分析加速度計所測的振動信號，產(chǎn)生并儲存關(guān)于發(fā)動機(jī)振動幅值和相位的數(shù)據(jù)。航空發(fā)動機(jī)測振用加速度傳感器的發(fā)展趨勢：1 .發(fā)展航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子軸承用加速度傳感器。在外部機(jī)匣上測量振動，增加了測量誤 差。發(fā)展發(fā)動機(jī)內(nèi)部測振用傳感器，具備防污染性強(qiáng)、可靠性好、整體式封裝等特點(diǎn)。 同時開展由于測振點(diǎn)轉(zhuǎn)移帶來的振動信號的可靠傳輸、振動極限的控制等一系列技術(shù) 研究。2 .發(fā)展耐高溫加速度傳感器。開發(fā)新型耐高溫材料，加強(qiáng)耐高溫傳感器的設(shè)計、制造 及裝調(diào)以滿足發(fā)動機(jī)機(jī)載振動