壓電加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)-說(shuō)明書(shū)大學(xué)論文

1、7 tXIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：壓電加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)(2015 2016學(xué)年第2學(xué)期)課題名稱壓電加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)課程設(shè)計(jì)時(shí)間1.課題內(nèi)容簡(jiǎn)介及要求完成*測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及測(cè)試信號(hào)處理部分設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容是：(1) 總體方案的確定。仔細(xì)分析給出的系統(tǒng)功能與參數(shù)，擬定總體方案。(2) 傳感器的選擇。根據(jù)被測(cè)量的要求合理選擇傳感器，根據(jù)需 要進(jìn)行傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或安裝布局設(shè)計(jì)。(3) 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號(hào)，完成電路原理圖的設(shè)計(jì)

2、，并按要求撰寫(xiě)說(shuō)明書(shū)。設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求：(1)顯示電路的設(shè)計(jì)；(2 )輸出控制電路的設(shè)計(jì)。2.主要設(shè)計(jì)參數(shù)自行選擇被測(cè)量，如溫度、流量、壓力、液位、位移、速度、加速度、振動(dòng)、重量等，給出所選擇被 測(cè)量的具體應(yīng)用環(huán)境，給出測(cè)量范圍。3進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備0.5天(包括題目講解說(shuō)明1小時(shí)) 總體方案設(shè)計(jì)1天 傳感器的選擇1天(包括傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或安裝布局設(shè)計(jì)) 測(cè)試電路的設(shè)計(jì)1天 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)0.5天 答辯1天4.工作量要求 說(shuō)明書(shū)字?jǐn)?shù)：0.8-1萬(wàn)字 圖紙工作量：傳感器結(jié)構(gòu)示意圖或安裝布局示意圖1張電路圖1張指導(dǎo)教師 齊忠霞2016 年 6 月 15 日目錄1. 簡(jiǎn)介2. 測(cè)試方案設(shè)計(jì)3. 測(cè)試系

3、統(tǒng)組成3.1 壓電加速度傳感器3.1.1 組成3.1.2工作原理3.1.3靈敏度3.1.4加速度傳感器的選用3.2 電荷放大器3.2.1 測(cè)試電路圖3.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算處理3.3 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀4. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程5. 說(shuō)明總結(jié)6. 參考文獻(xiàn)壓電加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.簡(jiǎn)介現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，非電物理量的測(cè)量和控制技術(shù)會(huì)涉及大量的 動(dòng)態(tài)測(cè)試問(wèn)題。所謂動(dòng)態(tài)測(cè)試是指量的瞬時(shí)值以及它隨時(shí)間而變化的值的確定， 即被測(cè)量為變量的連續(xù)測(cè)量過(guò)程 。它以動(dòng)態(tài)信號(hào)為特征，研究了測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)特性問(wèn)題，而動(dòng)態(tài)測(cè)試中振動(dòng)和沖擊的精確測(cè)量尤其重要。 振動(dòng)與沖擊測(cè)量的 核心是傳感器，常用壓電加速度傳感器來(lái)獲取沖擊

4、和振動(dòng)信號(hào)。壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)， 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小，質(zhì)量輕, 工作頻帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖 擊與振動(dòng)的測(cè)量以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。所以在此設(shè)計(jì)了一種壓電式加速度測(cè)試系統(tǒng)， 能夠滿足測(cè)試0 3G的低頻率 加速度測(cè)試。2.測(cè)試方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成：壓電加速度傳感器、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)加速度信號(hào)經(jīng)傳感器拾振，由傳感器電纜將加速度信號(hào)送入 該系統(tǒng)電荷放大器，電荷放大器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大， 通過(guò)數(shù)據(jù)采集測(cè) 試儀采樣

5、，便實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。最后在 PC端對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。如下圖所示3.1壓電加速度傳感器3.1.1組成由質(zhì)量塊、壓電元件、支座以及引線組成如下圖所示質(zhì)量塊壓電元件輸出 引線3.1.2工作原理nfifjH/f/l壓電加速度傳感器采用具有壓電效支座勺壓電材料作基本元件，是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)； 當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將圖中的支座與待測(cè)物剛性地固定在一起。當(dāng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)

6、時(shí)， 支座與待測(cè)物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性 力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷（電壓）。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷 （電壓）與作用 力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測(cè)量?jī)x器測(cè)試出電荷（電壓）大小，從而得出物體的加速度。壓電材料可分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類(lèi)， 因壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電晶體的大，且采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的 靈敏度較高，故本系統(tǒng)壓電元件采用壓電陶瓷 ，極化方向在厚度方向（z方向）。 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作 用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)

7、。設(shè)質(zhì)量塊作用于壓電元件 的力為F上，支座作用于壓電元件的力為 F下，貝U有F =Ma（1）F = = = （ M + m ） a（ 2 ）式中M為質(zhì)量塊質(zhì)量；m為晶片質(zhì)量；a為物體振動(dòng)加速度。 由式（1 ）、（ 2 ）可得晶片中厚度方向（z方向）任一截面上的力為F=Ma +ma （1 一 z/d）（ 3 ）式中d為晶片厚度。則平均力為因晶片為壓電陶瓷，極化方向在厚度方向（z方向），作用力沿著方向，故 此時(shí)外加應(yīng)力只有T 3,不等于零，其平均值為T(mén)3=- 因此盡管壓電式加速度傳感器具有較大的測(cè)量量程范圍， 但對(duì)用于測(cè)量高低兩端 頻率的振動(dòng)信號(hào), 選擇加速度傳感器靈敏度時(shí)應(yīng)對(duì)信號(hào)有充分的估計(jì)。

8、最常用的 振動(dòng)測(cè)量壓電式加速度計(jì)靈敏度，電壓輸出型（IEPE型）為50100 mV/g,電 荷輸出型為 10 50 pC/g。加速度值傳感器的測(cè)量量程范圍是指?jìng)鞲衅髟谝欢ǖ姆蔷€性誤差范圍內(nèi)所能測(cè) 量的最大測(cè)量值。通用型壓電加速度傳感器的非線性誤差大多為1%。作為一般原則,靈敏度越高其測(cè)量范圍越小,反之靈敏度越小則測(cè)量范圍越大。IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器的測(cè)量范圍是由在線性誤差范圍內(nèi)所允許的最大 輸出信號(hào)電壓所決定，最大輸出電壓量值一般都為土5V。通過(guò)換算就可得到傳感器的最大量程，即等于最大輸出電壓與靈敏度的比值。需要指出的是IEPE壓電傳感器的量程除受非線性誤差大小影響外, 還受到供電

9、電壓和傳感器偏置電壓 的制約。當(dāng)供電電壓與偏置電壓的差值小于傳感器技術(shù)指標(biāo)給出的量程電壓時(shí)， 傳感器的最大輸出信號(hào)就會(huì)發(fā)生畸變。因此 IEPE 型加速度傳感器的偏置電壓穩(wěn) 定與否不僅影響到低頻測(cè)量也可能會(huì)使信號(hào)失真； 這種現(xiàn)象在高低溫測(cè)量時(shí)需要 特別注意， 當(dāng)傳感器的內(nèi)置電路在非室溫條件下不穩(wěn)定時(shí)， 傳感器的偏置電壓很 可能不斷緩慢地漂移而造成測(cè)量信號(hào)忽大忽小。而電荷輸出型測(cè)量范圍則受傳感器機(jī)械剛度的制約，在同樣的條件下傳感敏感 芯體受機(jī)械彈性區(qū)間非線性制約的最大信號(hào)輸出要比IEPE型傳感器的量程大得多，其值大多需通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。 一般情況下當(dāng)傳感器靈敏度高， 其敏感芯體的 質(zhì)量塊也就較大，

10、傳感器的量程就相對(duì)較小。 同時(shí)因質(zhì)量塊較大其諧振頻率就偏 低這樣就較容易激發(fā)傳感器敏感芯體的諧振信號(hào)， 結(jié)果使諧振波疊加在被測(cè)信號(hào) 上造成信號(hào)失真輸出。 因此在最大測(cè)量范圍選擇時(shí)， 也要考慮被測(cè)信號(hào)頻率組成 以及傳感器本身的自振諧振頻率， 避免傳感器的諧振分量產(chǎn)生。 同時(shí)在量程上應(yīng) 有足夠的安全空間以保證信號(hào)不產(chǎn)生失真。加速度傳感器靈敏度的標(biāo)定方法通常采用比較法檢定，被校傳感器在特定頻率（通常為159 Hz或80 Hz）振動(dòng)的輸出與標(biāo)準(zhǔn)傳感器讀得加速度值的比即為傳感 器靈敏度。而對(duì)沖擊傳感器的靈敏度則通過(guò)測(cè)量被校傳感器對(duì)一系列不同沖擊加 速度值的輸出響應(yīng)， 獲得傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)輸入沖擊加速

11、度值和電輸出之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 再通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得與各點(diǎn)之間差值最小的直線， 而這直線的斜率即是傳感器的沖擊靈敏度。沖擊傳感器的非線性誤差可以有兩種方法表示：全量程偏差或按分段量程的線 性誤差。前者是指?jìng)鞲衅鞯娜砍梯敵鰹榛鶞?zhǔn)的誤差百分?jǐn)?shù)，即無(wú)論測(cè)量值得大 小其誤差均為按全量程百分?jǐn)?shù)計(jì)算而得的誤差值。按分段量程的線性誤差其計(jì)算 方法與全量程偏差相同，但基準(zhǔn)不用全量程而是以分段量程來(lái)計(jì)算誤差值。例如量程為20000g的傳感器，如全量程偏差為1%，其線性誤差在全量程內(nèi)為200g； 但當(dāng)傳感器按分段量程5000g，10000g，20000g來(lái)衡量其線性誤差，其誤差仍 為1%時(shí)，則傳感器在不同的3個(gè)量

12、程段內(nèi)線性誤差則分別為50g ,100g，200g。2）傳感器的測(cè)量頻率范圍傳感器的頻率測(cè)量范圍是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的頻率響應(yīng)幅值誤差內(nèi)（土5%, 10%, 3dB）傳感器所能測(cè)量的頻率范圍。頻率范圍的高，低限分別稱為高，低 頻截至頻率。截至頻率與誤差直接相關(guān)，所允許的誤差范圍大則其頻率范圍也就 寬。作為一般原則，傳感器的高頻響應(yīng)取決于傳感器的機(jī)械特性，而低頻響應(yīng)則由傳感器和后繼電路的綜合電參數(shù)所決定。 高頻截止頻率高的傳感器必然是體積 小，重量輕，反之用于低頻測(cè)量的高靈敏度傳感器相對(duì)來(lái)說(shuō)則一定體積大和重量 重。（1）傳感器的高頻測(cè)量范圍傳感器的高頻測(cè)量指標(biāo)通常由高頻截止頻率來(lái)確定，而一定截止頻率

13、與對(duì)應(yīng)的 幅值誤差相聯(lián)系；所以傳感器選用時(shí)不能只看截至頻率， 必須了解對(duì)應(yīng)的幅值誤 差值。傳感器的頻率幅值誤差小不僅是測(cè)量精度提高，更重要的是體現(xiàn)了傳感器 制造過(guò)程中控制安裝精度偏差地能力。另外由于測(cè)量對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)頻率帶較 寬，或傳感器的固有諧振頻率不夠高，因而被激發(fā)的諧振信號(hào)波可能會(huì)疊加在測(cè) 量頻帶內(nèi)的信號(hào)上，造成較大的測(cè)量誤差。所以在選擇傳感器的高頻測(cè)量范圍時(shí) 除高頻截至頻率外，還應(yīng)考慮諧振頻率對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響；當(dāng)然這種測(cè)量頻段外 的信號(hào)也可通過(guò)在測(cè)量系統(tǒng)中濾波器給予消除。一般情況下傳感器的高頻截止頻率與輸出信號(hào)的形式（即電荷型或低阻電壓型）無(wú)關(guān)；而與傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造以及安裝形式和

14、安裝質(zhì)量都密切相關(guān)。以下表格是對(duì)不同型式加速度傳感器的高頻響應(yīng)作一個(gè)定性的歸類(lèi)，供用戶在選用時(shí)對(duì)比和參考。當(dāng)傳感器和恒流電壓源交流耦合的低頻截至頻率相當(dāng)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的低頻特性 是由傳感器和恒流電壓源的各自低頻響應(yīng)組合而成，此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的低頻截止頻率要高于傳感器或恒流電壓源各自的低頻截止頻率。理想的測(cè)量系統(tǒng)傳感器應(yīng)配 用帶直流平衡的恒流電壓源，這樣系統(tǒng)的低頻響應(yīng)將完全取決于傳感器的低頻截 至頻率。當(dāng)傳感器用于甚低頻測(cè)量時(shí)，能否準(zhǔn)確測(cè)量低頻信號(hào)并不完全決定與系統(tǒng)的低頻響應(yīng)特性，系統(tǒng)的低頻電噪聲大小也將直接影響低頻信號(hào)的測(cè)量。另外傳感器的瞬態(tài)溫度響應(yīng)大小也將直接影響傳感器的低頻測(cè)量。7. 傳感器的整

15、體封裝設(shè)計(jì)與電纜（1）傳感器的封裝形式壓電式傳感器的工作原理是利用敏感芯體的壓電效應(yīng)，而壓電材料產(chǎn)生的是高 阻抗的電荷信號(hào)。傳感器敏感芯體的絕緣阻抗與傳感器的低頻測(cè)量截止頻率存在 著相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。為了保證傳感器的低頻響應(yīng)，傳感器殼體封裝設(shè)計(jì)應(yīng)使敏感 芯體與外界隔絕，以防止壓電陶瓷受到任何污染而導(dǎo)致其絕緣阻抗下降。敏感芯 體絕緣阻抗下降對(duì)傳感器性能造成的直接影響表現(xiàn)為低頻響應(yīng)變差， 嚴(yán)重時(shí)還將 造成傳感器靈敏度改變。 為保證傳感器的密封特性， 大多傳感器的封裝采用激光 焊接。同時(shí)在當(dāng)今密封材料品種多樣， 性能日益完善的情況下， 針對(duì)不同的使用 環(huán)境，采用合適的密封材料替代激光焊接也能達(dá)到傳感器

16、密封的要求。 但必須指 出不同的密封材料效果差異很大。 北智公司采用國(guó)外知名品牌的密封材料并經(jīng)過(guò) 通過(guò)了多年的環(huán)境厲行試驗(yàn)驗(yàn)證。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，為防止電磁場(chǎng)對(duì)傳感器信號(hào)的影響，對(duì)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的 在線監(jiān)測(cè)傳感器往往要求傳感器采用雙重屏蔽殼封裝形式。 雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的傳感 器輸出接頭一般采用雙芯工業(yè)接頭或聯(lián)體電纜輸出形式。 由于雙層屏蔽殼的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)和雙芯輸出電纜， 傳感器的高頻特性一般將受到較大的制約， 因此如果用戶 必須選用雙層屏蔽型傳感器進(jìn)行高頻振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。傳感器輸出接頭形式M5 (M6) 接頭是加速度傳感器最為常用的輸出接頭形式。 M5 接頭特點(diǎn)是尺寸較 小，一般配用直徑較

17、細(xì)的電纜 (2mm 或 3mm )，比較適合振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試。另外 M5 (M6) 的結(jié)構(gòu)型式對(duì)信號(hào)屏蔽較好， 所以對(duì)電荷輸出型加速度傳感器因其輸出 為較容易受干擾的高阻抗信號(hào)一般均采用 M5 (M6) 接頭。測(cè)量振動(dòng)的加速度傳 感器接頭一般避免使用 Q9 (BNC),原因是Q9 (BNC),接頭組件沒(méi)有螺紋聯(lián)接，構(gòu) 件之間的機(jī)械耦合剛度較低；因此如果加速度傳感器輸出采用Q9(BNC),，其將會(huì)影響傳感器的高頻響應(yīng)。用于工業(yè)環(huán)境下的振動(dòng)測(cè)量加速度傳感器按可分為巡回檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)，前者 一般采用單層殼屏蔽型式，因此傳感器的接頭較多使用 M6 或 TNC 接頭。而在 線監(jiān)測(cè)因經(jīng)常采用雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)型

18、式， 與其對(duì)應(yīng)的電纜為雙芯屏蔽電纜， 所以 雙芯工業(yè)接頭如 M12, M16 以及 C5015 均被廣泛使用。 另外連體電纜具有較高的 可靠性，因此在工業(yè)環(huán)境下使用的傳感器無(wú)論是單層和雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)都廣泛采 用連體電纜為輸出接頭的形式。 需要指出的是無(wú)論是那一種輸出接頭對(duì)水下測(cè)量都有其局限性， 即使傳感器本身 密封性能達(dá)到要求， 但電纜聯(lián)接一般都需要做特殊處理后才能用于水下測(cè)量。 (2) 電纜的選擇 對(duì)輸出為高阻抗信號(hào)的電荷型壓電型傳感器而言，為保證測(cè)量信號(hào)不受因電纜 移動(dòng)而造成噪聲的影響， 傳感器的輸出信號(hào)電纜一般都采用低噪聲電纜。 而輸根 據(jù)不同敏感芯體結(jié)構(gòu)和材料特性的組合，壓縮型結(jié)構(gòu)在理

19、論上便存在橫向輸出， 需要通過(guò)裝配調(diào)節(jié)的方式給予抵消，而在實(shí)際制造過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)真正的抵消， 因此壓縮型加速度傳感器的橫向靈敏度的離散度很大。 與壓縮型相比剪切型設(shè)計(jì) 在理論上不存在橫向輸出， 傳感器的實(shí)際橫向輸出一般是由材料加工和裝配精度 所引起的誤差。 所以從這兩種敏感芯體的實(shí)際對(duì)比結(jié)果來(lái)看， 剪切型壓電加速度 傳感器的橫向靈敏度普遍優(yōu)于壓縮型式。 而敏感芯體為彎曲梁結(jié)構(gòu)形式的橫向靈 敏度一般說(shuō)介于剪切型和壓縮型之間。 根據(jù)敏感芯體的結(jié)構(gòu)特性， 在其受橫向振 動(dòng)時(shí)與垂直方向振動(dòng)一樣， 也有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)。 所以橫向振動(dòng)也同樣可能 在某一頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，以至產(chǎn)生較大的橫向振動(dòng)偏差。溫度對(duì)

20、傳感器輸出的影響溫度改變而引起傳感器輸出變化是由壓電材料(敏感芯體)特性所造成的。根 據(jù)壓電材料的分類(lèi)， 石英晶體受溫度影響最小， 而人工合成晶體的使用溫度甚至 高于石英；但在商業(yè)化的壓電加速度傳感器中最多使用的壓電材料還是壓電陶 瓷。壓電陶瓷敏感芯體的輸出高溫時(shí)隨溫度上升而增大， 低溫時(shí)隨溫度降低而減 ??；但傳感器輸出與溫度間并不呈線性變化， 一般說(shuō)低溫時(shí)的輸出變化比高溫時(shí) 的要大。另因?yàn)楦鱾鞲衅鞯臏囟软憫?yīng)很難保持一致， 所以實(shí)際使用中傳感器的輸 出一般很少用溫度系數(shù)進(jìn)行修正。 典型溫度響應(yīng)曲線或溫度系數(shù)一般只作為對(duì)傳 感器溫度特性的衡量。 壓電陶瓷對(duì)溫度響應(yīng)除材料本身特性之外， 生產(chǎn)工藝也

21、將 直接影響壓電材料對(duì)溫度的響應(yīng)， 而同種材料對(duì)溫度響應(yīng)的離散度更是如此。 同 樣是鋯鈦酸鉛材料， 不同的廠商由于采用不同的生產(chǎn)工藝， 使得相同材料的壓電 陶瓷而其各自的使用溫度范圍， 溫度響應(yīng)和溫度響應(yīng)的離散度相差甚大。 綜合對(duì) 壓電材料的基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)加工工藝， 目前國(guó)內(nèi)壓電陶瓷的溫度特性與國(guó)外先進(jìn) 水準(zhǔn)相比還有一定差距； 為確保用戶對(duì)傳感器的特殊要求， 北智采用進(jìn)口壓電陶 瓷，使傳感器的高溫使用溫度可在 +250oC 下長(zhǎng)期使用，而且溫度響應(yīng)及其離散 度都好于國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷。不同的敏感芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)溫度的變化的響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。由于不同材 料有不同的線膨脹系數(shù)， 因此溫度變化必然使壓電

22、材料和金屬配件之間產(chǎn)生因線 膨脹系數(shù)不同而造成的應(yīng)力變化； 這種由溫度產(chǎn)生的應(yīng)力使壓縮式和彎曲梁型的 敏感芯體產(chǎn)生輸出信號(hào)， 有時(shí)這種溫度變化引起的輸出會(huì)大于振動(dòng)測(cè)量信號(hào) （特 別在低頻測(cè)量中）。需要特別指出溫度變化有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種，傳感器輸出靈敏 度隨溫度變化通常是指穩(wěn)態(tài)高低溫度狀態(tài)對(duì)信號(hào)輸出的影響。 瞬態(tài)溫度變化對(duì)傳 感器輸出的影響主要表現(xiàn)在低頻測(cè)量中，請(qǐng)參看應(yīng)用低頻測(cè)量傳感器的基座應(yīng)變靈敏度傳感器受被測(cè)物體在傳感器安裝處應(yīng)變的影響，可能導(dǎo)致傳感器輸出的變化。 傳感器的基座應(yīng)變靈敏度一般由傳感器基座剛度， 傳感器與被測(cè)件的接觸面積以 及敏感芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式所決定。 剪切結(jié)構(gòu)形式的敏感芯體與

23、傳感器基座間的接 觸面積很小， 因而剪切芯體受基座應(yīng)變的作用也相對(duì)較小， 且這種應(yīng)變并不直接 導(dǎo)致壓電陶瓷的輸出。 所以剪切敏感芯體傳感器的基座應(yīng)變靈敏度指標(biāo)通常比壓 縮式的要好， 在無(wú)需改變傳感器的基座剛度以及與被測(cè)件的接觸面積情況下 （改 變這兩點(diǎn)都將影響傳感器的頻率響應(yīng)指標(biāo)） ，剪切型傳感器一般都能滿足大部分 結(jié)構(gòu)測(cè)量的要求。8. 聲場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)傳感器的影響 聲波和磁場(chǎng)對(duì)傳感器的作用也都可能引起信號(hào)輸出，這種輸出的大小與傳感器 靈敏度的比值被稱作為壓電傳感器的聲靈敏度和磁靈敏度。 聲靈敏度是表示傳 感器在強(qiáng)聲場(chǎng)的作用下， 加速度傳感器的輸出值。 加速度信號(hào)輸出主要是聲波通 過(guò)對(duì)傳感器外殼體

24、的作用，再由外殼體傳輸給內(nèi)部的敏感芯體而導(dǎo)致的信號(hào)輸 出。最直接減小傳感器聲靈敏度的方法是增加傳感器外殼的厚度， 絕大多數(shù)傳感 器的這一指標(biāo)都能滿足通常的測(cè)量條件。磁靈敏度是表示傳感器在強(qiáng)交變磁場(chǎng)作用下，加速度傳感器的輸出值。傳感器 內(nèi)部敏感芯體受磁力的作用而導(dǎo)致信號(hào)輸出是傳感器產(chǎn)生磁靈敏度的基本原因。 因此在傳感器設(shè)計(jì)中， 金屬零部件盡量采用無(wú)磁或弱磁的材料是降低傳感器磁靈 敏度最直接的措施。另外雙層屏蔽殼結(jié)構(gòu)形式也能較好地減小傳感器的磁靈敏 度，同時(shí)雙層屏蔽殼形式還能有效地防止磁場(chǎng)對(duì)輸出電信號(hào)的干擾。3.2 電荷放大器由壓電元件的工作原理可知， 壓電式傳感器可看作一個(gè)電荷發(fā)生器。 同時(shí)，它

25、 也是一個(gè)電容器， 晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板， 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為式中A為晶片電極面面積；“為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；.為真空介電常 數(shù)。因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身 的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此，它的測(cè)量電路通常需接入一個(gè)高輸入阻 抗的前置放大器，其作用如下：(1 )把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。(2 )放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。本設(shè)計(jì)中前置放大器采用電荷放大器。壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)與測(cè)量?jī)x器或 測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容 C放大器的輸入電阻、 輸入電容及壓電傳感器的泄漏電阻R,這

26、樣壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際 等效電路如下所示。321測(cè)試電路圖3.2.2數(shù)據(jù)計(jì)算處理圖中，A為運(yùn)算放大器增益。由于運(yùn)算放大器的，R i極高，而& = iomr r所以可認(rèn)為“I和是開(kāi)路的。設(shè)運(yùn)算放大器輸入電壓 為輸出電壓為根據(jù)運(yùn)算放大器理論和電路理論得電荷量為Q=U (G + C* +G) + (Ut 一 )CF式中G為反饋電容。將代人式(9)得U AkQ(C. + Ce + Cj + (+A)CF若放大器開(kāi)環(huán)增益足夠大，滿足(1+Ak)CfG+C+q時(shí)式(io)可表示為u =一25 CF由此可知，在一定情況下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正此， 并且與電纜分布電容無(wú)關(guān)。因此，采用電荷