壓電式傳感器的性能測(cè)試

1、118.1 實(shí)訓(xùn)的目的要求 18.1.1實(shí)訓(xùn)目的實(shí)訓(xùn)目的 1.通過實(shí)訓(xùn)更好地掌握有關(guān)壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理，更好地理解相關(guān)的理論知識(shí)，為更好地使用這種傳感器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)； 2.通過實(shí)訓(xùn)徹底弄清壓電式傳感器的構(gòu)造情況，了解其使用過程中常見的故障，掌握排除的方法； 3.了解這種傳感器在工程實(shí)際中的應(yīng)用狀況，弄清其性能特點(diǎn)和應(yīng)用范圍；18.1.2實(shí)訓(xùn)要求實(shí)訓(xùn)要求 1.認(rèn)真復(fù)習(xí)有關(guān)壓電式傳感器的工作原理、性能特點(diǎn)等理論知識(shí)； 2.預(yù)習(xí)該實(shí)訓(xùn)的相關(guān)內(nèi)容，看懂實(shí)訓(xùn)教程所給的電路原理圖，考慮好接線和布線的方法，以利于更好地完成本次實(shí)訓(xùn)； 3.認(rèn)真仔細(xì)地測(cè)量每一個(gè)數(shù)據(jù)，作好記錄、及時(shí)完成實(shí)訓(xùn)報(bào)告； 218.

2、2.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 壓電式傳感器的工作原理是建立在某些材料的壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)上的，它利用具有壓電效應(yīng)的材料作為傳感器的敏感元件，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量的檢測(cè)。所謂壓電效應(yīng)7是指某些電介質(zhì)材料，當(dāng)沿著某些特定方向?qū)ζ涫┘幼饔昧κ蛊浒l(fā)生變形時(shí)，這種材料的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)形成正負(fù)電荷。一旦外力消失后又會(huì)重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種應(yīng)變致電現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。當(dāng)改變作用力的方向時(shí)，電荷的極性也隨之改變。我們把由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象叫“正壓電效應(yīng)”；反之，若在電介質(zhì)的極化方向上施加一定的電場(chǎng)，它們就會(huì)產(chǎn)生變形，我們稱之為“逆壓電效應(yīng)”或叫“

3、電致伸縮效應(yīng)”。 自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱，不具備實(shí)用價(jià)值。壓電材料可能分成兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。衡量壓電材料的性能參數(shù)主要有： 1.壓電常數(shù)：它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到輸出靈敏度； 2.彈性常數(shù)：它與壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性有關(guān)； 3.介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限； 4.機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)； 5.電阻：壓電材料的絕緣電阻將減小電荷泄漏，從而改善

4、壓電傳感器的低頻特性； 6.居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性時(shí)的溫度稱為居里點(diǎn)；18.2.2 常用壓電材料常用壓電材料 目前常用的壓電材料主要有石英晶體、鈦酸鋇（batio3）、鋯鈦酸鉛(pzt)等很多種類。石英晶體材料的壓電系數(shù)很穩(wěn)定，但其靈敏度較低且介電常數(shù)小，因此已漸漸地被其它壓電材料代替；鈦酸鋇材料有較高的壓電系數(shù)且價(jià)格低廉，但只適用于700c以下的低溫場(chǎng)合；鋯鈦酸鉛系壓電材料是鈦酸鉛(pbtio3)和鋯酸鉛(pbzro3)組成的固溶體。這種陶瓷的壓電性能大約是鈦酸鋇的兩倍，特別是在552000c的溫度范圍內(nèi)無(wú)晶相轉(zhuǎn)變，已成為壓電陶瓷研究的主要對(duì)象。它的缺點(diǎn)是燒結(jié)過程中氧化鉛（pbo）

5、的揮發(fā)問題，難以獲得致密的燒結(jié)體，以及壓電性能依賴于鈦和鋯的組成比，難以保證性能的均勻一致。18.2.3 測(cè)量電路簡(jiǎn)介測(cè)量電路簡(jiǎn)介 壓電式傳感器本身具有很高的內(nèi)阻抗，而輸出的能量又非常微弱，因此它的測(cè)量電路通常需要有一個(gè)高輸入阻抗的前置放大級(jí)作為阻抗匹配，方可接入到一般的放大、檢波和顯示等處理電路，或者再經(jīng)功率放大器至記錄儀器。 壓電式傳感器的前置放大級(jí)起到以下二個(gè)方面的作用：一是把傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)。因此，前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，它的輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比

6、；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。下面分別介紹電壓放大器和電荷放大器的工作原理。1.電壓放大器（阻抗變換器） 電壓放大器的工作原理如圖18.1中a和b所示，a圖為電路原理，b圖為等效電路圖。其中，電阻r=rari/（ra+ri），電容c=ca+cc+ci，而ua=q/ca，若壓電敏感元件受正弦力f=fmsint的作用，則其；輸出電壓ua可表示為 （181） 式中：um為壓電傳感器輸出電壓幅值，um=dfm/ ca；d是壓電系數(shù)； 由此可得放大器輸入端電壓ui，其復(fù)數(shù)形式為 （182） ui的幅值uim為 （183） 222)(1acimimcccrrdfu)(1acim

7、icccjrjrdfututcdfumamasinsin 輸入電壓與作用力的相位差為 （184） 在理想狀態(tài)下，傳感器的ra與前置放大器的ri均為無(wú)窮大，即r(ca+cc+ci)遠(yuǎn)大于1，所以由式（183）可得理想狀態(tài)時(shí)的輸入電壓幅值為 （185） 上式說(shuō)明前置放大器輸入電壓與頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為/03時(shí)，就可以忽略頻率的影響了。0為測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即0=1/r（ca+cc+ci），這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是當(dāng)作用力為靜態(tài)力（=0）時(shí)，則前置放大器的輸入電壓為零，因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力（變形）的測(cè)量，只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量

8、中。由于uim與cc（電纜分布電容）有關(guān)，故傳感器與前置放大器之間的連接電纜不能隨意更換，否則會(huì)引起測(cè)量不準(zhǔn)確。acimimcccdfu)(2icacccrarctg 2.電荷放大器 電荷放大器通常作為壓電傳感器的輸出電路，它由一個(gè)反饋電容和高增益運(yùn)算放大器組成。當(dāng)忽略和并聯(lián)電阻的影響后，其等效電路如圖18.2所示。圖中a為運(yùn)算放大器增益，由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，故放大器輸入端幾乎沒有分流，其輸出電壓u0為： （186） 式中：u0為放大器輸出電壓；ucf為反饋電容上的壓降；由此可見，電荷放大器的輸出電壓與電纜的分布電容無(wú)關(guān)、而與壓電傳感器產(chǎn)生的電荷成正比。18.2.4 本次實(shí)訓(xùn)的原理本次

9、實(shí)訓(xùn)的原理 本次實(shí)訓(xùn)所用的壓電式傳感器實(shí)際上是一個(gè)壓電式加速度計(jì)，其壓電敏感元件與一質(zhì)量塊相連，當(dāng)質(zhì)量塊振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力使壓電材料產(chǎn)生變形而輸出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的測(cè)量。實(shí)訓(xùn)的基本原理是用實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的低頻振蕩器驅(qū)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)裝置產(chǎn)生低頻振動(dòng)，施加到壓電傳感器上，傳感器輸出的信號(hào)用電壓放大器放大后再經(jīng)低通濾波器濾波，最后由雙線示波器顯示輸出。原理框圖如圖18.3所示，其中1為低頻振蕩器，2是機(jī)械振波形。原理框圖如圖18.3所示，其中1為低頻振蕩器，2是機(jī)械振動(dòng)裝置，3為壓電傳感器；處理電路由電壓放大器、低通濾波器組成；用雙線示波器來(lái)顯示被測(cè)結(jié)果。 fcfcquu08 具體內(nèi)容主要有兩方面：一是對(duì)壓電

10、傳感器的感性認(rèn)識(shí)，仔細(xì)觀察傳感器的外形結(jié)構(gòu)，弄清其結(jié)構(gòu)的各組成部分，了解其工作原理；二是對(duì)傳感器的性能測(cè)定，按實(shí)訓(xùn)原理電路圖接好導(dǎo)線，調(diào)整好各電路模塊，每加一個(gè)低頻振蕩測(cè)出一個(gè)輸出電壓，通過計(jì)算給出傳感器的電壓靈敏度和線性范圍。 18.4 所用設(shè)備介紹 本實(shí)訓(xùn)所用的儀器設(shè)備包括壓電式傳感器一個(gè)，它是采用壓電陶瓷 作為敏感元件、用質(zhì)量塊作為壓力接受元件的壓電式振動(dòng)傳感器、低通濾波器模塊、雙線示波器、低頻振蕩器、液晶電壓表、頻率計(jì)及電壓放大器模塊等。除電壓放大器外都已經(jīng)介紹過它們的結(jié)構(gòu)和使用情況，電壓放大器是由集成運(yùn)算放大器組成的高輸入阻抗的放大器，用于變換壓電式或磁電式傳感器的信號(hào)。工作原理如圖

11、18.4所示： 從圖中可知：此運(yùn)算放大器工作于同相放大狀態(tài)。其基本電路如圖18.5所示：其閉環(huán)電壓增益：avf=1+rf/r1 ；輸入電阻riric；輸出電阻：ro0；平衡電阻：rpr1/rf；其中：ric為運(yùn)算放大器本身同相端對(duì)地的共模輸入電阻一般為1000m左右；同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。 若rf0，r1（開路），則為電壓跟隨器。與晶體管電壓跟隨器（射極輸出器）相比，集成運(yùn)算放大器及電壓跟隨器的輸入阻抗更高，幾乎不從信號(hào)源吸取電流；輸出阻抗更小，可視作電壓源，是較理想的阻抗變換器。 10 1.仔細(xì)觀察壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)，它主要是由壓電陶瓷片（敏感

12、元件）及慣性質(zhì)量塊組成； 2.將壓電式傳感器的輸出屏蔽線接到電壓放大器的輸入端，然后將電壓放大器的輸出接到低通濾波器的輸入端，再將濾波器的輸出接到雙線示波器的一個(gè)輸入端，示波器的另一個(gè)輸入端接低通濾波器的輸入端； 3.接通低頻振蕩器電源，頻率調(diào)節(jié)在520hz范圍內(nèi)； 4.適當(dāng)調(diào)整低頻振蕩器的振蕩幅度，在2v左右，不宜過大； 5.用示波器同時(shí)觀察電壓放大器與低通濾波器的輸出波形； 6.改變振蕩頻率，觀察輸出波形的變化，并記錄輸出電壓的峰峰值于表18.2中，每改變一次頻率，記錄一個(gè)電壓值，反復(fù)測(cè)量多次，取平均值作為測(cè)量結(jié)果； 7.根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算傳感器的電壓靈敏度kv=v/ f，并畫出v-f曲線后估算出傳感器的線性范圍； 表表18.2 輸出電壓與激勵(lì)頻率輸出電壓與激勵(lì)頻率f（hz） v（p-p） 11 1.由于壓電式傳感器產(chǎn)生的電荷是很容易泄漏的，因此這個(gè)實(shí)訓(xùn)所得誤差較大，尤其是當(dāng)天氣較潮濕時(shí)更難做，所以最好選擇天氣較好時(shí)進(jìn)行本實(shí)