傳感器課程考核論文(共13頁)

1、PAGE PAGE 1HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理(yunl)及應用課程(kchng)考 核 論 文題 目 壓電加速度傳感器 班 級 學 號 姓 名 成 績 機械(jxi)與汽車工程學院 機械電子工程系二零一四 年 五 月壓電加速度傳感器摘要(zhiyo)：壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化(binhu)。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。1壓電式傳感器的物理(wl)效應1.1壓電效應壓電式傳感器的工作

2、原理是以某些物質(zhì)的壓電效應為基礎。這些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力而發(fā)生變形時，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應。而具有這種壓電效應的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇等。左圖示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體，它是個六角形晶柱。在直角坐標系中z軸表示其縱向軸，稱為光軸；x軸平行于正六面體的棱線，稱為電軸；y軸垂直于正六面體棱面，稱為機械軸。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”；而把沿機械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”；在光軸方向受力時則不產(chǎn)生壓電效應。壓電效應可分為正壓電效應

3、和逆壓電效應正壓電是指：當 HYPERLINK /view/51869.htm t _blank 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；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當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。 HYPERLINK /view/486062.htm t _blank 壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象(xinxing)。用逆壓電效應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、 HYPERLIN

4、K /view/1589067.htm t _blank 長度(chngd)變形型、體積(tj)變形型、厚度 HYPERLINK /view/1171203.htm t _blank 切變型、平面切變型5種基本形式。 HYPERLINK /view/270397.htm t _blank 壓電晶體是 HYPERLINK /view/26056.htm t _blank 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。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。1.2工作原理下圖所示壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理，壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的

5、兩個表面上鍍銀層，并在鍍銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片之間夾一片金屬，引線就焊在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器 基相連。在壓電片上放置一個密度較大的質(zhì)量塊。然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽 對質(zhì)量塊預加載荷。整個組件在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何 變形傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。傳感器感受振動時，由于彈簧的剛度相當大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認為質(zhì)量塊的慣性很小。因此質(zhì)量塊將受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的

6、交變力作用在壓電片上，由于壓電片具有壓電效應，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生交變電荷（電壓），當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸人到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當?shù)姆e分電路，就可以測出試件的振動速度或位移。2壓電式加速度傳感器的構(gòu)成敏感元件：壓電晶體切片，當有外力作用在傳感器表面時，上蓋的變形會引起石英晶片的變形，從而產(chǎn)生壓電效應。轉(zhuǎn)換元件：壓電晶體，當壓電傳感器的壓電晶體承受被測機械力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。通過兩極板電荷的變

7、化把測量力轉(zhuǎn)換成電信號的變化。轉(zhuǎn)換電路：由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看做一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集(jj)正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為3壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)壓電元件(yunjin)的受力和變形常見的有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形四種。按以上四種變形方式也應當有相應的四種結(jié)構(gòu)的傳感器，但目前最常見的是基于厚度變形的壓縮式和基于剪切變形的剪切式兩種，前者使用更為普遍。如圖所示為四種壓電式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)。圖（）所示為外圓配合壓縮式。它通過硬彈簧對壓電元件施加預壓力。這種傳感器結(jié)

8、構(gòu)簡單，而且靈敏度高，但對環(huán)境的影響 （如聲學噪聲、基座應變、瞬時溫度沖擊等）比較敏感，這是由于其外殼本身就是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)中的一個彈簧，它與起彈簧作用的壓電元件并聯(lián)，由于殼體和壓電元件之間這種機械上的并聯(lián)連接，因此，殼體內(nèi)的任何變化都將影響到傳感器的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，使傳感器的靈敏度發(fā)生變化。圖（）所示為中心配合壓縮式。它具有外圓配合壓縮式的優(yōu)點，并克服了對環(huán)境敏感的缺點。這是因為彈簧、質(zhì)量塊和壓電元件用一根中心柱牢固地固定在厚基座上，而不與外殼直接接觸，外殼僅起保護作用。但這種結(jié)構(gòu)仍然要受到安裝表面應變的影響。圖（）所示為倒裝中心配合壓縮式。由于中心柱離開基座，所以避免了基座應變引起的誤差。但由

9、于殼體是質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的一個組成部分，所以殼體的諧振會使傳感器的諧振頻率有所降低，以致減小傳感器的頻響范圍。另外，這種形式的傳感器的加工和裝配也比較困難，這是它的主要缺點。圖（）所示為剪切式。它的底座向上延伸，如同一根圓柱，管式壓電元件 （極化方向平行于軸線）套在這根圓柱上，壓電元件上再套上慣性質(zhì)量環(huán)。剪切式加速度傳感器的工作原理是：如傳感器感受向上的振動，由于慣性力的作用使質(zhì)量保持滯后。這樣，在壓電元件中就出現(xiàn)剪切應力，使其產(chǎn)生剪切變形。從而在壓電元的內(nèi)外表面上就產(chǎn)生電荷，其電場方向垂直于極化方向。如果，某瞬時傳感器感受向下的運動，則壓電元件的內(nèi)外表面上的電荷極性相反，這種結(jié)構(gòu)的傳感器縱向靈敏

10、度大，橫向靈敏度小，而且能減小基座應變的影響。由于質(zhì)量彈簧系統(tǒng)與外殼隔開，因此，聲學噪聲和溫度沖擊等環(huán)境的影響也比較小。剪切式傳感器具有很高的固有頻率，頻響范圍很寬，特別適用于測量高頻振動，它的體積和質(zhì)量都可以做得很小，有助于實現(xiàn)傳感器微型化。4靈敏度傳感器的靈敏度有兩種表示法：當它與電荷放大器配合(pih)使用時，用電荷靈敏度Sq表示；與電壓放大器配合(pih)使用時，用電壓靈敏度Sv表示(biosh)，其一般表達式為和下面以常用的壓電陶瓷加速度傳感器為例討論影響靈敏度的因素。壓電陶瓷元件受外力后表面上產(chǎn)生的電荷為Q=d33F，因為傳感器質(zhì)量塊的加速度與作用在質(zhì)量塊上的力有如下關系，即F=m

11、a這樣，壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度與電壓靈敏度就可用下式表示，即由上兩式可知(k zh)：壓電式加速度傳感器的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)成正比，也和質(zhì)量塊的質(zhì)量成正比。為了提高傳感器的靈敏度，應當選用壓電系數(shù)大的壓電材料做壓電元件，在一般(ybn)精度要求的測量中，大多采用以壓電陶瓷為敏感元件的傳感器。5頻率特性壓電式加速度傳感器，可以簡化成由集中質(zhì)量、集中彈簧剛度和阻尼(zn)系數(shù)組成的二階單自由度系統(tǒng)，因此，當傳感器感受振動體的加速度時，可以列出下列運動方程式式改寫為根據(jù)求二階傳感器頻響特性的方法，獲得壓電加速度計的幅頻特性與相頻特性分別為因為質(zhì)量塊與振動體之間的相對位移Xm-X就等于

12、壓電元件受到作用力后產(chǎn)生的變形量，因此，在壓電元件的線性彈性范圍內(nèi)有由于壓電片表面產(chǎn)生(chnshng)的電荷量與作用力成正比，即，因此將式子帶入得到壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率(pnl)的關系式，即上式所表示的頻響特性曲線(qxin)為二階特性曲線，如下圖所示。由下圖可見，在 相當小的范圍內(nèi)，有由上式可知，當傳感器的固有頻率( yu pn l)遠大于振動體的振動頻率時，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)。從頻響特性也可以清楚地看到，在這一頻率范圍內(nèi)，靈敏度基本上不隨頻率而變化。這一頻率范圍就是傳感器的理想工作范圍。對于與電荷放大器配合使用的情況，傳感器的低頻響應受電荷放大器的下限截止頻率限制。電荷

13、放大器的下限截止頻率是指放大器的相對輸入(shr)電壓減小3dB時的頻率，它主要(zhyo)由放大器的反饋電容和反饋電阻決定。如果忽略放大器的輸入電阻以及電纜的漏電阻，電荷放大器的下限截止頻率為一般電荷放大器的下限截止頻率可低至0.3Hz，甚至更低。因此，當壓電式傳感器與電荷放大器配合使用時，低頻響應是很好的，可以測量接近靜態(tài)的變化非常緩慢的物理量。壓電式傳感器的高頻響應特別好。只要放大器的高頻截止頻率遠高于傳感器自身的固有頻率。那么，傳感器的高頻響應完全由自身的機械問題決定，放大器的通頻帶要做到100kHz以上是并不困難的。因此，壓電式傳感器的高頻響應只需要考慮傳感器的固有頻率。6壓電式加速

14、度傳感器的測量電路6.1等效電路壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。當它受到外力作用時，就會在電極上產(chǎn)生電荷，因此，可以把壓電式傳感器等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器，等效電路如圖5（a）所示。由于電容上的（開路）電壓:因此壓電式傳感器也可以等效為一個電壓源和一個電容串聯(lián)的電壓源，等效電路如圖所示: （a）等效電荷源 （b）等效電壓源當壓電式傳感器與測量電路配合使用時，方塊圖如圖6所示。這樣在等效電路中就必須將前置放大器的輸入電阻、輸入電容，以及低噪聲電纜的電容包括進去。因此，當考慮了壓電元件的絕緣電阻以后，完整的等效電路可表示成如圖所示的電荷等效電路（a）和電壓等效電路（b）。這兩種

15、等效電路是完全等效的。（a）電荷(dinh)等效電路 （b）電壓(diny)等效電路由于壓電式傳感器的內(nèi)阻抗很高、輸出電信號很弱，一般需要將電信號經(jīng)高輸入阻抗的前置放大器放大再進行傳輸、處理和測量。前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出，也起放大弱信號的作用。壓電傳感器的輸出信號經(jīng)前置放大器的阻抗變換和放大后，就可以采用一般的放大、檢波指示或通過功率放大至記錄和數(shù)據(jù)處理設備。前置放大器應距傳感器盡量近，常將其與傳感器裝配在一起，或集成在一起。否則，傳感器的輸出信號需由低噪聲電纜(dinln)輸入到高輸入阻抗的前置放大器。按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，傳感器可看

16、成電壓發(fā)生器，也可看成電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，一般稱作阻抗變換器，其輸出電壓與輸入電壓成比例；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例。這兩種放大器的主要區(qū)別是：使用電壓放大器時，測量系統(tǒng)的輸出對電纜電容的變換很敏感，連接電纜長度的變化明顯影響測量系統(tǒng)的輸出。而使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計，允許使用很長的電纜，但它的電壓放大器比較，價格要高得多，電路也比較復雜，調(diào)整又比較困難。7壓電式加速度傳感器的實際應用壓電式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、測量的頻率范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等優(yōu)點。尤其是它沒有活動部件，因此維護

17、方便、使用壽命長。它是測量振動和沖擊的一種較為理想的傳感器。在飛機、汽車、船舶、橋梁、堤壩和建筑的振動和沖擊測量中已得到了廣泛的應用，尤其是在航空和宇航領域中的應用更有它的特殊地位。例如：在測量飛機構(gòu)件（特別是薄板型小構(gòu)件）的振動時，為了不使構(gòu)件的機械振動失真,傳感器的重量就應當盡可能的輕。早期大多數(shù)采用電動式傳感器進行測量。由于這種傳感器較重，對于測量小型薄板構(gòu)件的振動是有一定誤差的，如用壓電式加速度傳感器測量，就能比較準確地測出構(gòu)件的振動。目前，壓電式傳感器在有些振動測量中以代替了電動式傳感器。隨著耐高壓電材料(cilio)的研制成功，現(xiàn)在已研制出在400，甚至(shnzh)高達700的高

18、溫(gown)環(huán)境中應用的壓電式傳感器。這一突破對于測量航空發(fā)動機的振動具有很大的意義。因為發(fā)動機振動量最大的地方一般在渦輪軸承附近，這里的溫度高達650以上，而且安裝傳感器空間又很小。顯然，電動式傳感器是不能勝任這一測量任務的，所以它只能安裝在外部機匣上，測出的振動當然不是發(fā)動機的最大振動。如果用壓電式加速度傳感器測量，由于它耐高溫、體積小，就能夠?qū)⑺惭b在渦輪軸承機匣上，測出的振動量能比較準確地反映發(fā)動機的最大震動。現(xiàn)在在航空發(fā)動機試車臺上，以及許多機種的發(fā)動機震動監(jiān)視系統(tǒng)中，已普遍采用壓電式加速度傳感器來測量振動。在沖擊測量中，如測量飛機救生艙的彈射加速度，對傳感器的要求更加苛刻。目前手

19、提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的檢測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。概括起來，加速度傳感器可應用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。8選

20、型我選擇的是AD系列IEPE傳感器，AD系列IEPE傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體 ，能百接和記錄、顯示和采集設備連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性，廣泛應用于航空航天、鐵路、橋梁、建筑、車船、機械、水利、電力、石油、化工、環(huán)保、地震等領域。 AD系IEPE傳感器主要特點結(jié)構(gòu)合理，電路優(yōu)化，主要元器件和插接件均為美國或臺灣生產(chǎn)，精度高、臊音低、漂移小，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠輸出可配長電纜而不影響測量精度輸出可以百接用數(shù)字萬用表、示波器或輸出給數(shù)據(jù)采集器傳感器為全封閉結(jié)構(gòu)有效防塵、防潮、防有害氣體8.2傳感器的原理(yunl)AD系列(xli)IEPE傳感器內(nèi)部(nib)是由壓電加速度傳感器和微型IC放大器組成。壓電加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用目前世界先進的隔離剪切結(jié)構(gòu)；內(nèi)部關鍵IC均為美國 原裝進口。傳感器的輸出具有兩線聯(lián)接特征；即傳感器的信號輸出