壓電式加速器傳感器

1、2013-4-16 系統(tǒng)簡述一 壓電式加速度傳感器二 信號放大和濾波三 AD轉(zhuǎn)換四 計算五 輔助電路六 輸出壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器1 工作原理 壓電加速度傳感器采用具有壓電效應(yīng)的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。 壓電加速度傳感器的原理如圖所示。實際測量時,將圖中的支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運動時,支座與待測物以同一加速度運動,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,在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。 當(dāng)振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時,傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。一般來說，加速度計尺寸越大 ，

2、其固有頻率越低。 第6章 壓電傳感器晶體的壓電效應(yīng) 當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長或壓縮時,在其表面上會產(chǎn)生電荷(束縛電荷),這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)是可逆的,即晶體在外電場的作用下要發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。第6章 壓電傳感器 晶體的壓電效應(yīng) 晶體的壓電效應(yīng)可用下圖加以說明。一些晶體當(dāng)不受外力作用時,晶體的正負電荷中心相重合,單位體積中的電矩(即極化強度)等于零,晶體對外不呈現(xiàn)極性,而在外力作用下晶體形變時,正負電荷的中心發(fā)生分離,這時單位體積的電矩不再等于零,晶體表現(xiàn)出極性。2 構(gòu)成元件 S是彈簧，M是質(zhì)塊，B是基座，P是

3、壓電元件，R是夾持環(huán)。 中央安裝壓縮型n圖a是中央安 裝壓縮型，壓電元件質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。n這種結(jié)構(gòu)有高的共振頻率。然而基座B與測試對 象連接時，如果基座B有變形則將直接影響拾振器輸出。n此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化, 易引起溫度漂移 。溫度漂移：環(huán)境溫度變化時會引起晶體管參數(shù)的變化，這樣會造成靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定，使電路動態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定，甚至使電路無法正常工作。環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型n圖b為環(huán)形剪切型，結(jié)構(gòu)簡單，能做成極小型、高共振頻率的加速度計，環(huán)形質(zhì)量塊粘到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。n由于粘結(jié)劑會隨溫度增高而變軟，因此最高

4、工作溫度受到限制 。三角剪切形三角剪切形n圖c為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承 受切應(yīng)力。n這種結(jié)構(gòu)對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。 3 幅頻特性曲線 n一般小阻尼(z=0.1)的加速度計，上限頻率若取為共振頻率的 1/3，便可保證幅值誤差低于1dB（即12%）；若取為共振頻率的1/5，則可保證幅值誤差小于0.5dB（即6%），相移小于30。但共振頻率與加速度計的固定狀況有關(guān)，加速度計出廠時給出的幅頻曲線是在剛性連接的固定情況下得到的。實際使用的固定方法往往難于達到剛性連接，因而共振頻率和使用上限頻率

5、都會有所下降。首頁 二二 放大電路放大電路n作用：把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。n壓電式傳感器的特點：高阻抗，低能量。n壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。n電壓放大器n電荷放大器 等效電路電壓放大器acQU dFQ aCdFUaCFdUaiCjcjRcjRUU111)(1accRjRjFdRccctgCCRRdFUicaamim)(2)(1)(1222）（相頻：幅頻：當(dāng)時，與電纜電容有關(guān)icamimCCCdFU)(當(dāng)時，00)0(imU電荷放大器n運算放大器輸入阻抗很高，故可近似，并將反饋電容折算到輸入端 aRiRFicaioCACCCqAUAU)1 ( FCqn輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，且的影響不明顯（由于作了簡化假設(shè)，表達式上是無關(guān)的）n與q成正比n這些優(yōu)點使得壓電傳感器基本上都用電荷放大器作為轉(zhuǎn)換電路。 實際應(yīng)用 n目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了