哈工程传感器与检测技术压电式加速度传感器.docx

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哈工程传感器与检测技术压电式加速度传感器

“传感器与检测技术”研究小论文

基于压电式传感器的加速度测量

姓名：

何靓文

班级：

20110815

学号：

2011081509

2014年4月13日

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一、压电式传感器原理

1、压电效应

某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力而发生机械变形（压缩或伸长）时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷。

当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。

压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。

2、压电式加速度传感器测量原理

压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它也属于惯性式传感器。

它是典型的有源传感器。

利用某些物质如石英晶体、人造压电陶瓷的压电效应，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。

压电敏感元件是力敏元件，在外力作用下，压电敏感元件的表面上产生电荷，从而实现非电量电测量的目的。

压电加速度传感器的原理框图如下图1所示。

图1压电加速度传感器原理框图

实际测量时，将图2中的支座与待测物刚性地固定在一起。

当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（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。

电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷（电压）大小，从而得出物体的加速度。

图2

压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。

这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。

其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。

压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷两大类，因压电陶瓷的压电系数比压电晶体的大，且采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，故本系统压电元件采用压电陶瓷，极化方向在厚度方向（z方向）。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。

设质量块作用于压电元件的力为F上，支座作用于压电元件的力为F下，则有

F上=Ma

F下=（M+m）a

式中M为质量块质量；m为晶片质量；a为物体振动加速度。

由上面两式可得晶片中厚度方向（z方向）任一截面上的力为

F=Ma+ma（1-z/d）

式中d为晶片厚度。

则平均力为

因晶片为压电陶瓷，极化方向在厚度方向（z方向），作用力沿着z方向，故此时外加应力只有T3，不等于零，其平均值为

式中A为晶片电极面面积。

选用D型压电常数矩阵，得电荷

式中d33为压电常数。

由于质量块一般采用质量大的金属钨或其他金属制成，而晶片很薄，即有M>>m，故上式通常写为

故可知，压电元件的Q和d33、M成正比，根据测量电荷量就可得到加速度。

二、市场常见压电式加速度传感器

产品

性能

价格

YD-5压电式加速度传感器

电荷灵敏度高，频率范围大,幅值线性为5000g（±10%），重量体积小，使用温度范围为-40～+80℃。

内部结构为中心压缩。

¥688.00

AFT压电式加速度传感器

结构先进，品种齐全，性能稳定，环境特性好，使用寿命长，安装方便。

产品主要应用领域对，铁路、桥梁、建筑、车船、机械、水利电力、石油、地质、环境保护、地震监测等部门。

¥680.00

YD型压电式加速度传感器

在多点长线测量中，对长线的要求低（长线距离可达千米以上），性价比高，抗潮湿，抗粉尘等环境特性好，各种型号有对地绝缘型传感器，提高了系统的测试可靠性和环境是应性。

¥849.00

三、总体方案设计

1、总体设计原理

本方案采用压电式加速度传感器达到采集加速度的目的。

主要利用其当待测物有位移时,支座与待测物以相同的方式运动,压电元件受到惯性力的作用,它与质量块的与加速度相反方向,晶体的两个表面形成了交变电压来测量加速度。

由于压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此，它的测量电路通常需接入一个高输入阻抗的前置放大器来放大传感器输出的微弱信号。

本设计中前置放大器采用电荷放大器。

将从放大电路出来的模拟量，送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。

显示电路连接于单片机用于显示加速度的大小。

该显示接口用一片MC14499和单片机连接以驱动数码管。

2、系统框图

系统总体流程框图如下所示：

A/D转换器

放大器

传感器

被测物理量

显示设备

控制器

单片机

图3总体系统框图

被测物理量：

主要是指非电的物理量，此系统中为加速度。

传感器：

将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。

传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。

放大：

传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大环节的预处理来完成。

A/D转换器：

实现将模拟量转换成数字量，此系统采用逐次逼近式A/D转换。

单片机：

目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。

显示设备：

在此用到8段数码管。

控制设备：

控制电动机的运行或关闭。

四、单元设计与特性分析

1、传感器设计：

将电压转化成电信号部分

由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可看作一个电荷发生器。

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

式中A为晶片电极面面积；Ԑr为压电材料的相对介电常数；Ԑ0为真空介电常数。

因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电荷源。

压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc、放大器的输入电阻Ri、输人电容Ci及压电传感器的泄漏电阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图4所示。

图4测量电路

图4中，Ak为运算放大器增益。

由于运算放大器的Ri极高，而Ra=109～1014欧姆，所以可认为Ri和Ra是开路的。

设运算放大器输人电压为Ui，输出电压为U0，根据运算放大器理论和电路理论得电荷量为

式中CF为反馈电容。

将

代入上式得

若放大器开环增益足够大，满足

，上式可表示为