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HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目压电加速度传感器班级学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一四年五月1压电加速度传感器摘要：压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，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。1压电式传感器的物理效应1.1压电效应压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础。这些物质在沿一定方向受到压力或拉力而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡等。左图示为天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。在直角坐标系中z轴表示其纵向轴，称为光轴；x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴；y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴方向受力时则不产生压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应正压电是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。1.2工作原理下图所示压缩式压电加速度传感器的结构原理，压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在镀银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基相连。在压电片上放置一个密度较大的质量块。然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。整个组件在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何变形传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。传感器感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块将受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上，由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（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，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输人到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。2压电式加速度传感器的构成敏感元件：压电晶体切片，当有外力作用在传感器表面时，上盖的变形会引起石英晶片的变形，从而产生压电效应。转换元件：压电晶体，当压电传感器的压电晶体承受被测机械力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。通过两极板电荷的变化把测量力转换成电信号的变化。转换电路：由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。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dACa03压电式加速度传感器的结构压电元件的受力和变形常见的有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形四种。按以上四种变形方式也应当有相应的四种结构的传感器，但目前最常见的是基于厚度变形的压缩式和基于剪切变形的剪切式两种，前者使用更为普遍。如图所示为四种压电式加速度传感器的典型结构。图（ａ）所示为外圆配合压缩式。它通过硬弹簧对压电元件施加预压力。这种传感器结构简单，而且灵敏度高，但对环境的影响（如声学噪声、基座应变、瞬时温度冲击等）比较敏感，元件并联，由于壳体和压电元件之间这种机械上的并联连接，因此，壳体内的任图（ｂ）所示为中心配合压缩式。它具有外圆配合压缩式的优点，并克服了对环境敏感的缺点。这是因为弹簧、质量块和压电元件用一根中心柱牢固地固定在厚基座上，而不与外壳直接接触，外壳仅起保护作用。但这种结构仍然要受到安装表面应变的影响。图（ｃ）所示为倒装中心配合压缩式。由于中心柱离开基座，所所以壳体的谐振会使传感器的谐振频率有所降低，以致减小传感器的频响范围。另外，这种形式的传感器的加工和装配也比较困难，这是它的主要缺点。图（ｄ）所示为剪切式。它的底座向上延伸，如同一根圆柱，管式压电元件（极化方向平行于轴线）套在这根圆柱上，压电元件上再套上惯性质量环。剪切式加速度传感器的工作原理是：如传感器感受向上的振动，由于惯性力的作用使质量保持滞后。这样，在压电元件中就出现剪切应力，使其产生剪切变形。从而在压电元的内外表面上就产生电荷，其电场方向垂直于极化方向。如果，某瞬时传感器感受向下的运动，则压电元件的内外表面上的电荷极性相反，这种结构的弹簧系统与外壳隔开，因此，声学噪声和温度冲击等环境的影响也比较小。剪切式传感器具有很高的固有频率，频响范围很宽，特别适用于测量高频振动，它的体积和质量都可以做得很小，有助于实现传感器微型化。4灵敏度传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度Sv表示，其一般表达式为和下面以常用的压电陶瓷加速度传感器为例讨论影响灵敏度的因素。压电陶瓷元件受外力后表面上产生的电荷为Q=d33F，因为传感器质量块ｍ的加速度ａ与作用在质量块上的力Ｆ有如下关系，即F=ma这样，压电式加速度传感器的电荷灵敏度与电压灵敏度就可用下式表示，即由上两式可知：压电式加速度传感器的灵敏度与压电材料的压电系数成正比，也和质量块的质量成正比。为了提高传感器的灵敏度，应当选用压电系数大的压电材料做压电元件，在一般精度要求的测量中，大多采用以压电陶瓷为敏感元件的传感器。5频率特性压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量ｍ、集中弹簧刚度ｋ和阻尼系数ｃ组成的二阶单自由度系统，因此，当传感器感受振动体的加速度时，可以列出下列运动方程式式改写为根据求二阶传感器频响特性的方法，获得压电加速度计的幅频特性与相频特性分别为因为质量块与振动体之间的相对位移Xm-X就等于压电元件受到作用力后产生的变形量，因此，在压电元件的线性弹性范围内有由于压电片表面产生的电荷量与作用力成正比，即Ｑ＝ｄＦ，因此将式子带入得到压电式加速度传感器灵敏度与频率的关系式，即上式所表示的频响特性曲线为二阶特性曲线，如下图所示。由下图可见，在ω／ωｎ相当小的范围内，有由上式可知，当传感器的固有频率远大于振动体的振动频率时，传感器的灵敏度近似为一常数。从频响特性也可以清楚地看到，在这一频率范围内，灵敏度基本上不随频率而变化。这一频率范围就是传感器的理想工作范围。对于与电荷放大器配合使用的情况，传感器的低频响应受电荷放大器的下限截止频率限制。电荷放大器的下限截止频率是指放大器的相对输入电压减小3dB时的频率，它主要由放大器的反馈电容和反馈电阻决定。如果忽略放大器的输入电阻以及电缆的漏电阻，电荷放大器的下限截止频率为一般电荷放大器的下限截止频率可低至0.3Hz，甚至更低。因此，当压电式传感器与电荷放大器配合使用时，低频响应是很好的，可以测量接近静态的变化非常缓慢的物理量。压电式传感器的高频响应特别好。只要放大器的高频截止频率远高于传感器自身的固有频率。那么，传感器的高频响应完全由自身的机械问题决定，放大器的通频带要做到100kHz以上是并不困难的。因此，压电式传感器的高频响应只需要考虑传感器的固有频率。6压电式加速度传感器的测量电路6.1等效电路压电元件是压电式传感器的敏感元件。当它受到外力作用时，就会在电极上产生电荷，因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，等效电路如图5（a）所示。由于电容上的（开路）电压:CdqU因此压电式传感器也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电压源，等效电路如图所示:（a）等效电荷源（b）等效电压源当压电式传感器与测量电路配合使用时，方块图如图6所示。这样在等效电路中就必须将前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci，以及低噪声电缆的电容Cc包括进去。因此，当考虑了压电元件的绝缘电阻Rd以后，完整的等效电路可表示成如图所示的电荷等效电路（a）和电压等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。（a）电荷等效电路（b）电压等效电路由于压电式传感器的内阻抗很高、输出电信号很弱，一般需要将电信号经高输入阻抗的前置放大器放大再进行传输、处理和测量。前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出，也起放大弱信号的作用。压电传感器的输出信号经前置放大器的阻抗变换和放大后，就可以采用一般的放大、检波指示或通过功率放大至记录和数据处理设备。前置放大器应距传感器尽量近，常将其与传感器装配在一起，或集成在一起。否则，传感器的输出信号需由低噪声电缆输入到高输入阻抗的前置放大器。按照压电式传感器的工作原理及其等效电路，传感器可看成电压发生器，也可看成电荷发生器。因此前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，一般称作阻抗变换器，其输出电压与输入电压成比例；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。这两种放大器的主要区别是：使用电压放大器时，测量系统的输出对电缆电容的变换很敏感，连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出。而使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计，允许使用很长的电缆，但它的电压放大器比较，价格要高得多，电路也比较复杂，调整又比较困难。7压电式加速度传感器的实际应用压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、测量的频率范围大、性能稳定、输出线性好等优点。尤其是它没有活动部件，因此维护方便、使用寿命长。它是测量振动和冲击的一种较为理想的传感器。在飞机、汽车、船舶、桥梁、堤坝和建筑的振动和冲击测量中已得到了广泛的应用，尤其是在航空和宇航领域中的应用更有它的特殊地位。例如：在测量飞机构件（特别是薄板型小构件）的振动时，为了不使构件的机械振动失真,传感器的重量就应当尽可能的轻。早期大多数采用电动式传感器进行测量。由于这种传感器较重，对于测量小型薄板构件的振动是有一定误差的，如用压电式加速度传感器测量，就能比较准确地测出构件的振动。目前，压电式传感器在有些振动测量中以代替了电动式传感器。随着耐高压电材料的研制成功，现在已研制出在400℃，甚至高达700℃的高温环境中应用的压电式传感器。这一突破对于测量航空发动机的振动具有很大的意义。因为发动机振动量最大的地方一般在涡轮轴承附近，这里的温度高达650℃以上，而且安装传感器空间又很小。显然，电动式传感器是不能胜任这一测量任务的，所以它只能安装在外部机匣上，测出的振动当然不是发动机的最大振动。如果用压电式加速度传感器测量，由于它耐高温、体积小，就能够将它安装在涡轮轴承机匣上，测出的振动量能比较准确地反映发动机的最大震动。现在在航空发动机试车台上，以及许多机种的发动机震动监视系统中，已普遍采用压电式加速度传感器来测量振动。在冲击测量中，如测量飞机救生舱的弹射加速度，对传感器的要求更加苛刻。目前手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的检测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相