压电式加速度传感器

HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目压电式加速度传感器班级机设七班学号20111488姓名孙国强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压电式加速度传感器摘要：现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，即被测量为变量的连续测量过程。振动与冲击测量的核心是传感器，常用压电加速度传感器来获取冲击和振动信号。压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。其中，压电式加速度传感器是以压电材料为转换元件，将加速度输入转化成与之成正比的电荷或电压输出的装置，具有结构简单、重量轻、体积小、耐高温、固有频率高、输出线性好、测量的动态范围大、安装简单的特点。一、传感器物理效应及工作原理压电效应：某些材料在受力时所产生的电极化现象。正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失，又称电致伸缩效应。压电材料:石英晶体是目前广泛应用成本较低的人造石英晶体，有很大的机械强度和稳定的机械性能，温度稳定性好，但灵敏度低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替，至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。除此之外，压电陶瓷有较高的压电系数和介电常数，灵敏度高，但机械强度不如石英晶体好。压电式加速度传感器又称为压电加速度计，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图1所示，原理如图2所示。实际测量时，将图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。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。二、传感器的构成压电式加速度传感器的敏感元件是具有压电效应的压电材料如石英晶体，转换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。压电传感器等效原理：压电晶体在受外力作用下，其电极表面产生正负极性的电荷，因此可以看成一个静电发生器，其类似一个以压电材料为电介质的电容器，如图所示。当两极板间有异性电荷（q)时，极板之间的电压为Ua。三、传感器的结构常用的压电式加速度计的结构形式如下图所示。S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率，然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承，受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。压电传感器的等效原理压电式加速度传感器的幅频特性曲线：加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的共振频率图，一般小阻尼(z=0.1)的加速度计，上限频率若取为共振频率的1/3，便可保证幅值误差低于1dB（即12%）；若取为共振频率的1/5，则可保证幅值误差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振频率与加速度计的固定状况有关，加速度计出厂时给出的幅频曲线是在刚性连接的固定情况下得到的。实际使用的固定方法往往难于达到刚性连接，因而共振频率和使用上限频率都会有所下降。压电式加速度传感器的固定方法：其中图1采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来固定加速度计（图2），但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上（图3），也可用于低温（40℃以下）的场合。手持探针测振方法（图4）在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计（图5），使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓（图6）或粘接剂（图7）的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。四、传感器的灵敏度压电式加速度计的灵敏度：压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度g作单位，1g=9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用g作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的3％。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体，如石英晶体；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成品较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的一代女陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（BaTiO3等）第三类是高分子压电材料。典型的高分子压电材料有聚偏二乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要支撑薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。五、传感器的测量电路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S为晶片电极面面积；εr为压电材料的相对介电常数；ε0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，其作用如下：(1)把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。(2)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。压电dSdSCr0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3所示。图中，KA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Q=Ui(Ca+Cc+Ci)+(Ui-Uo)Cf式中Cf为反馈电容。将Uo=-AkUi代入上式中得Uo=AkQ/(Cc+Ca+Ci+Cf+ACf)若放大器开环增益足够大，满足(1+AkCf)Ca+Cc+Ci时，上式可表示为：Uo=-Q/Cf由上可知，在一定情况下，电荷放大器的出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。六、传感器的选择压电加速度传感器的敏感芯体一般由压电材料和附加质量块组成，当质量块受到加速度作用后便转换成一个与加速度成正比并加载到压电材料上的力，而压电材料受力后在其表面产生一个与加速度成正比的电荷信号。压电材料的特性决定了作用力可以是受正应力也可以是剪应力，压电材料产生的电荷大小随作用力的方向以及电荷引出表面的位置而变。根据压电材料不同的受力方法，常用传感器敏感芯体的结构一般有以下三种形式：１）压缩形式–压电材料受到压缩或拉伸力而产生电荷的结构形式。压缩式敏感芯体是加速度传感器中最为传统的结构形式。其特点是制造简单方便，能产生较高的自振谐振频率和较宽的频率测量范围。而最大的缺点是不能有效地排除各种干扰对测量信号的影响。２）剪切形式–通过对压电材料施加剪切力而产生电荷的结构形式。从理论上分析在剪切力作用下压电材料产生的电荷信号受外界干扰的影响甚小，因此剪切结构形式成为最为广泛使用的加速度传感器敏感芯体。然而在实际制造过程中，确保剪切敏感芯体的加速度计持有较高和稳定的频率测量范围却是传感器制造中工艺中最为困难的一个环节。北智BW-Sensor采用进口记忆金属材料的紧固件从而保证传感器具有稳定可靠的谐振频率和频率测量范围。３）弯曲变形梁形式-压电材料受到弯曲变形而产生电荷的结构形式。弯曲变形梁结构可产生比较大的电荷输出信号，也较容易实现控制阻尼；但因为其测量频率范围低，更由于此结构不能排除因温度变化而极容易产生的信号漂移，所以此结构在压电型加速度计的设计中很少被采用。·传感器的灵敏度与量程范围传感器的灵敏度是传感器的最基本指标之一。灵敏度的大小直接影响到传感器对振动信号的测量。不难理解，传感器的灵敏度应根据被测振动量（加速度值）大小而定，但由于压电加速度传感器是测量振动的加速度值，而在相同的位移幅值条件下加速度值与信号的频率平方成正比，所以不同频段的加速度信号大小相差甚大。大型结构的低频振动其振动量的加速度值可能会相当小，例如当振动位移为1mm,频率为1Hz的信号其加速度值仅为0.04m/s2(0.004g)；然而对高频振动当位移为0.1mm，频率为10kHz的信号其加速度值可达4x105m/s2(40000g)。因此尽管压电式加速度传感器具有较大的测量量程范围，但对用于测量高低两端频率的振动信号，选择加速度传感器灵敏度时应对信号有充分的估计。最常用的振动