壓電式傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢【范本模板】

碩士研究生課程《智能傳感器技術(shù)》（考查）

自選課題題 目:壓電式傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢學(xué) 院：自動(dòng)化工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)： 姓 名： 任課教師： 2011年5月20日壓電式傳感器的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢TheCurrentSituationandTendencyof

PiezoelectricSensoratHomeandAboard壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器.它具有靈敏度高、使用頻帶寬、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡量輕、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。壓電式傳感器正不斷地向智能化發(fā)展.文章首先介紹了壓電傳感器的理論基礎(chǔ)即壓電效應(yīng),壓電材料，壓電方程以及壓電傳感器的等效電路。接著又介紹了兩種壓電式傳感器。一是PDVF壓電式傳感即由一種新型壓電材料PDVF薄膜制作的傳感器，分別闡述了PDVF薄膜的優(yōu)點(diǎn)，壓電特性，用其制作的正余弦壓電式傳感器以及PDVF壓電式傳感器測量振動(dòng)梁的物理量的工作原理.二是IEPE壓電加速傳感器，包括加速傳感器的優(yōu)點(diǎn)，工作原理以及其在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)測試中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：壓電式傳感；IEPE加速計(jì);加速度傳感器；PDVF壓電模AbstractThepiezoelectricsensorisakindoftypicallyspontaneouselectricitysensor。Ithastheadvantagesofhighsensitivity,widefrequencyband，highsignal-to-noiseratio,simpleinstructure,andreliablelightweightetc.AndthepiezoelectricsensorsareconstantlytointelligentdevelopmentThispaperintroducesthebasictheoryofpiezoelectricsensorswhicharepiezoelectriceffect，piezoelectricmaterials,piezoelectricequationandpiezoelectricsensorequivalentcircuit.Thenitintroducestwokindsofpiezoelectricsensors.OneisPDVFpiezoelectricsensorwhichismadebyanewtypeofpiezoelectricmaterials。ItrespectivelyexplainstheadvantagesofPDVFfilm，piezoelectricproperties，cosineandsinePDVFpiezoelectricsensorandtheuseofmeasuringvibratesbeam。AnotherisIEPEpiezoelectricsensor，includingaccelerationsensoracceleratedtheadvantages,workingprincipleandtheapplicationofvibrationcompactingrollertest.Keywords：piezoelectricsensor，IEPEacceleration,accelerationsensor，PDVFfilmTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 7\o"CurrentDocument"1.1壓電傳感器的特點(diǎn)及發(fā)展 7\o"CurrentDocument"1。2壓電傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 7\o"CurrentDocument"1。3智能傳感器的產(chǎn)生與發(fā)展前景 8\o"CurrentDocument"第2章壓電傳感器的理論基礎(chǔ) 10\o"CurrentDocument"2。1壓電傳感器的基本特性 10\o"CurrentDocument"2。1.1壓電效應(yīng) 10\o"CurrentDocument"2壓電材料 11\o"CurrentDocument"2。1。3壓電方程與壓電常數(shù) 11\o"CurrentDocument"電式傳感器的等效電路 14\o"CurrentDocument"2。3壓電式傳感器的信號(hào)變換電路 15\o"CurrentDocument"1變換電路的必要性 15\o"CurrentDocument"2.3.2電壓放大器 16\o"CurrentDocument"2。3。3電荷放大器 18\o"CurrentDocument"第三章PDVF壓電傳感器 20\o"CurrentDocument"3。1PVDF壓電薄膜 20\o"CurrentDocument"。1PVDF壓電薄模的壓電方程 20\o"CurrentDocument"3。1。2PVDF壓電薄膜制作傳感器的理論分析 21\o"CurrentDocument"PVDF壓電傳感器的設(shè)計(jì) 24\o"CurrentDocument"3.2。1梁的彎曲波 24\o"CurrentDocument"3.2。2振動(dòng)粱的基本物理量 26\o"CurrentDocument"3。3傳感器的設(shè)計(jì) 26\o"CurrentDocument"3。3。1形狀設(shè)計(jì) 27\o"CurrentDocument"3。3.2正弦傳感器的設(shè)計(jì) 273。3.3余弦傳感器的設(shè)計(jì) 28\o"CurrentDocument"3.4正余弦傳感器測量物理量的原理 29\o"CurrentDocument"第四章壓電加速傳感器 32\o"CurrentDocument"壓電式加速度傳感器的基本概念 32\o"CurrentDocument"加速度傳感器的工作原理 32\o"CurrentDocument"EPE加速計(jì) 33\o"CurrentDocument"4.3.1IEPE加速計(jì)的工作原理 34\o"CurrentDocument"4。3。2IEPE加速計(jì)的優(yōu)點(diǎn) 34\o"CurrentDocument"4。4壓電加速傳感器在振動(dòng)測量中的應(yīng)用 35\o"CurrentDocument"4。4。1壓電式加速計(jì)的測振原理 35\o"CurrentDocument"4.4.2用壓電式加速度傳感器的振動(dòng)測試方案 36\o"CurrentDocument"4。4.3振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)的測量 38\o"CurrentDocument"第五章結(jié)論 43\o"CurrentDocument"致謝 44\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 45青島大學(xué)研究生論文青島大學(xué)研究生論文#第1章緒論根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)987665—87),傳感器(transducer/sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件(sensingelement)是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號(hào)部分［1］。1.1壓電傳感器的特點(diǎn)及發(fā)展壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理，壓電晶體是機(jī)電轉(zhuǎn)化元件，它可以測量最終轉(zhuǎn)化為力的那些非電學(xué)物理量。例如力、壓力、加速度等.壓電式傳感器具有靈敏度高、使用頻帶寬、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡量輕、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。壓電傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程可分為三個(gè)階段第一個(gè)階段是60?70年代，傳感器以電荷輸出為主,測量系統(tǒng)包括壓電傳感器和以電荷放大器為主的信號(hào)適調(diào)裝置；到了80~90年代中期，出現(xiàn)了IEPE(InElectronicsPiezoelectricity)傳感器，也被稱為低阻抗電壓輸出傳感器，它主要解決了壓電信號(hào)以高阻抗傳輸帶來的一系列問題;第三階段是90年代中期至今，即插即用智能TEDS混合模式接口傳感器1。2壓電傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成信息系統(tǒng)的“感官"“神經(jīng)"和“大腦”，因此，傳感器技術(shù)是信息社會(huì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，傳感器是信息獲取系統(tǒng)的首要部件.然而,目前不論國內(nèi)還是國外，傳感器技術(shù)大大落后于信息系統(tǒng)中其它的技術(shù)，滿足不了信息技術(shù)系統(tǒng)的需要.計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了飛躍發(fā)度，但是計(jì)算機(jī)的信息輸入部分直到今天還沒能與其發(fā)展相適應(yīng)。該部分的落后影響了計(jì)算機(jī)的效率.可以說，整個(gè)信息系統(tǒng)水平的提高，主要取決于傳感器技術(shù)水平的提高”。在我國壓電傳感器的研究與應(yīng)用明顯落后于世界先進(jìn)水平，自紀(jì)70年代以來,壓電傳感器的應(yīng)用主要是為了滿足航天技術(shù)發(fā)展的需要。改革開放之后，隨著引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快階段,現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用成為必然.因此，壓電傳感器測術(shù)引起了一定程度的重視。但是，由于在壓電傳感器測量技術(shù)的研究與應(yīng)用上與國外發(fā)達(dá)國家相比,起步較晚,技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。直到目前壓電傳感器總體技術(shù)水平依然處于上述的第一發(fā)展階段目。前，國內(nèi)僅有一家產(chǎn)IEPE加速計(jì)的廠家，但完全依賴于國外提供的內(nèi)裝微電子電路，并不能自主研發(fā)。國內(nèi)進(jìn)行智能傳感器研究的單位主要有：中科院合肥智能機(jī)械研究所傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國家“863"計(jì)劃資助項(xiàng)目：安徽省自然科金資助項(xiàng)目；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目）；中國科技大學(xué)；電子科學(xué)自動(dòng)化系；北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系（國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目）,華南理工大學(xué)機(jī)電工程系（廣州省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目；廣州市重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目）;東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系（973計(jì)劃項(xiàng)目）。通過幾年的努力，這些單位都在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)和智能傳感器開發(fā)平臺(tái)的研究中取得了不同程度的成就。當(dāng)我們正在致力于經(jīng)典傳感器的開發(fā)、研制及其推廣應(yīng)用，以力求縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距之時(shí)，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，又在該領(lǐng)域結(jié)提出了新的課題、新的任務(wù)和新的方向，這就是智能傳感器的發(fā)展。在美國NI公司的倡導(dǎo)下,目前共有16家全球領(lǐng)先的傳感器生產(chǎn)商作為即插即用智能傳感器計(jì)劃項(xiàng)目的合作伙伴,這些成員已經(jīng)開始向市場供應(yīng)或研制符合IEEE1451。4傳感器電子數(shù)據(jù)表（TEDS）的傳感器，這種傳感器被稱為TEDS傳感器、即插即用傳感器或智能傳感器.許多公司已經(jīng)取得了令人滿意的成果。智能傳感器的發(fā)展是信息技術(shù)、知識(shí)經(jīng)濟(jì)在這一發(fā)展的必然產(chǎn)物和自然趨勢.1.3智能傳感器的產(chǎn)生與發(fā)展前景微處理器帶來的數(shù)字化革命到虛擬儀器的飛速發(fā)展，對(duì)傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高，傳統(tǒng)傳感器已不能適應(yīng)多種測試要求，隨著微處理智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用,智能傳感器，（SmartSensor）誕生了。關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。英國人將智能傳感器稱為“IntelligentSensor”，美國人則習(xí)慣于把智能傳感器稱作“SmartSensor",直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”.所謂智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器.智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能實(shí)際地融合在一起。從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用.需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”；另一種是指傳感器能匹配微處理器.顯然，后者的定義范圍更寬，但二者均屬于智能傳感器的范疇”。目前，國際傳感器領(lǐng)域已對(duì)“SmartSensor”定義形成了基本共識(shí)。智能傳感器從其功能來說是具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號(hào)探測、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、雙向通訊，內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷、具備以上部分功能或全部功能的器件［3］。智能傳感器技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是涉及微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及模糊理論等多種學(xué)科的綜合性技術(shù).在智能傳感器發(fā)展進(jìn)程中，由于對(duì)其“智能"的理解不斷深化，各個(gè)時(shí)期的學(xué)者給予智能傳感器的定義也會(huì)隨著傳感器的發(fā)展歷程的推移而演變。1983年，美國Honeywell公司研制出第一個(gè)智能傳感器一一用于過程控制的智能壓力傳感器.在此之后,其它公司紛紛效仿，先后研制出各自的智能傳感器產(chǎn)品。這些智能傳感器具有反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，精度高、分辨率高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在軍事、工業(yè)檢測與控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，也使傳感器的智能化倍受關(guān)注并獲得迅速發(fā)展［3］。智能傳感器過去主要用于過程控制，如今在離散自動(dòng)化領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用.尤其是近十年,由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，使微控制器的功能不斷升級(jí),價(jià)格不斷下降，從而引起工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)的革命，也使檢測技術(shù)的發(fā)展躍上一個(gè)新臺(tái)階。第2章壓電傳感器的理論基礎(chǔ)2。1壓電傳感器的基本特性壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的器件為核心組成的傳感器.由于壓電效應(yīng)具有順、逆兩種效應(yīng)，所以壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器?；谶@一特性，壓電器件已被廣泛應(yīng)用于超聲、通信、宇航、雷達(dá)和引爆等領(lǐng)域，并與激光、紅外、微波等技術(shù)相結(jié)合，將成為發(fā)展新技術(shù)和高科技的重要條件”。2。1。1壓電效應(yīng)由物理學(xué)知，一些離子型晶體的電介質(zhì)如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等。不僅在電場的作用下，在機(jī)械力的作用下也會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為：.在電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力作用而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化、從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面（極化面）上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，如圖2—1（a）所示。（a＞正壓電效應(yīng)（b）（a＞正壓電效應(yīng)（b）壓電效應(yīng)的可逆性圖2。1壓電效應(yīng)其電位移D（在MKS單位制中即為電荷密度Q）與外應(yīng)力張量F成正比D=d.F或Q=d.F （2-1）式中：d-壓電常數(shù)。當(dāng)外力消失后，電介質(zhì)又恢復(fù)為不帶電狀態(tài)，當(dāng)外力方向改變時(shí)其電荷極性隨之改變，這種現(xiàn)象物理學(xué)上稱為正（順）壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。.若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場作用時(shí)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且應(yīng)變￡與外電場強(qiáng)度E成正比￡=dtE （2-2）式中dt一逆壓電常數(shù)矩陣。這種現(xiàn)象物理學(xué)上稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮效應(yīng)?？梢姡哂袎弘娦?/p>

的壓電材料能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，如圖2—1(b)所示.2.1.2壓電材料1．人們把具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料,壓電材料可以分為以下三大類：(1)壓電晶體(單晶)它包括壓電石英晶體和其它壓電單晶；(2)壓電陶瓷又稱為多晶半導(dǎo)瓷；(3)新型壓電材料主要包括壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種.在傳感技術(shù)中，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的欽酸鋇等系列壓電陶瓷。2．壓電材料的特性參數(shù)主要包括:(1)壓電常數(shù)。壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù),它直接關(guān)系到壓電傳感器輸出的靈敏度.(2)彈性常數(shù)壓電材料的彈性常數(shù)(剛度)決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。(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)電禍合系數(shù)。在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出的能量(如電能)與輸入的能量〔如機(jī)械能)之比的平方根稱為機(jī)電禍合系數(shù)。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少電荷泄漏,從而改善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性的溫度稱為居里點(diǎn).2。1.3壓電方程與壓電常數(shù)壓電元件受力時(shí),在相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷,力與電荷之間的關(guān)系為(2-3)Q二dF(2-3)ij式中dq—壓電系數(shù)，單位為C/N.式(2-3)僅適用于一定尺寸的壓電元件,沒有普遍意義。為使用方便,常使用下式表示電荷面密度8與作用應(yīng)力的關(guān)系(2-4)6=do(2-4)ij壓電系數(shù)dij中，角注i表示電學(xué)量方向，i=1,2,3分別表示X軸方向、Y軸方向及Z軸方向，j就表示力學(xué)量方向,j=1,2,3,4,5,6分別表示在沿X軸、Y軸、Z軸方向作用的正應(yīng)力和在YOZ平面、ZOX平面及XOY平面作用

的切應(yīng)力，如圖2—2所示。正應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定是拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù);切應(yīng)力的正號(hào)規(guī)定為自旋轉(zhuǎn)軸的正向看去的逆時(shí)針方向：對(duì)晶體因受力產(chǎn)生電荷的電場方向作一個(gè)規(guī)定:當(dāng)電場方向指向晶軸正向時(shí)為正，反之為負(fù)。圖2.2圖2.2壓電元件坐標(biāo)表示法根據(jù)上述規(guī)定，d11表示X軸方向受力，在垂直于X軸的兩表面產(chǎn)生的電荷的大?。籨31表示X軸方向受力,垂直于Z軸的兩表面產(chǎn)生的電荷的大?。痪w在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的電荷面密度可由下列方程組決定6 =do +d o +d o +dt +dt +dtXX11XX12YY13Z14YZ15Z16XY6 =do +d o +d o +dt +dt +dt I(2一XX21XX22YY23Z24YZ25ZX26XY>5)6=do+do+do+dt+dt+dt，

XX31XX32YY33Z34YZ35Z36XY這樣,壓電材料的壓電特性可以用它的壓電系數(shù)矩陣表示為：dddddddd111213141516dddddd212223242526dddddd313233343536(2—6)對(duì)石英晶體,其壓電系數(shù)矩陣為:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"dd0d0 0(2—7)11 12 14(2—7)D=0 000dd\o"CurrentDocument"25 26\o"CurrentDocument"0 000 0 0根據(jù)晶格的對(duì)稱性有:d12=—d11，d25=-d14,d26=-2dn。實(shí)際上，石英晶根據(jù)晶格的對(duì)稱性有:體中只有d11和d14才有意義。對(duì)右旋石英dn=-2.31X10-12C/N,d14二—0。67X10-12C/N；對(duì)左旋石英d11和d14取正號(hào)，數(shù)值不變。壓電系數(shù)矩陣的物理意義是：(1)矩陣的每一行表示壓電元件分別受到X、Y、Z方向正應(yīng)力，以及YOZ、ZOX、XOY平面內(nèi)剪應(yīng)力作用時(shí)，相應(yīng)地在垂直于x軸、Y軸及Z軸表面產(chǎn)生電荷的可能性與大小.

(2)若矩陣中某一dj=0,則表示在該方向上沒有壓電效應(yīng)。這說明壓電元件不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。相對(duì)于空間一定的幾何切型，只有在某些方向，在某些力的作用下，才能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(3)上述石英壓電系數(shù)矩陣還表示，當(dāng)石英承受機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)可通過dij將五種不同的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電效應(yīng)，也可以通過dj將電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為五種不同模式的振動(dòng)。(4)根據(jù)壓電系數(shù)絕對(duì)值的大小，可以判斷在哪幾個(gè)方向應(yīng)力作用時(shí)，壓電效應(yīng)最顯著。由上所述，可以清楚地看到，壓電系數(shù)矩陣是正確選擇力/電轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換類型、轉(zhuǎn)換效率以及晶片幾何切型的重要依據(jù),因此合理而靈活地運(yùn)用壓電系數(shù)矩陣是設(shè)計(jì)壓電傳感器的關(guān)鍵.對(duì)于不同的壓電材料，其壓電系數(shù)矩陣是不同的。鈦酸鋇陶瓷的壓電系數(shù)矩陣為：d0-15d24000 (2—8)d240d31d32d33d31d32d33式中.d33=190x10-12C/Nd=d=—78x10-12C/N31 32d=250x10-12C/N15壓電系數(shù)dj的物理意義是：在“短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度?！岸搪窏l件"是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)"的理想條件.實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)遇到如下一些壓電常數(shù):壓電電壓系數(shù)gj:在不計(jì)“二次效應(yīng)"的條件下,每單位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。它在數(shù)值上等于壓電系數(shù)除以晶體的絕對(duì)介電常數(shù)，即g=d.88 (2-9)ijij：0ij式中：8j-相對(duì)介電常數(shù)；丫空間介電常數(shù)。上式中g(shù),d，￡各量應(yīng)具有相同的下角注。壓電勁度系數(shù)d:在不計(jì)“二次效應(yīng)"的條件下，每單位機(jī)械應(yīng)變在晶體內(nèi)ij部產(chǎn)生的電勢梯度。其在數(shù)值上等于壓電電壓系數(shù)g和晶體彈性模量E，即ij ijd=gE (2-10)ijijij式中,各量的下角注也應(yīng)相同.

TOC\o"1-5"\h\z機(jī)電耦合系數(shù)K:它是一個(gè)無量綱的數(shù)，表示壓電體中存儲(chǔ)的電能E與其ij cd吸收的機(jī)械能E之比的平方根；或表示壓電體中存儲(chǔ)的機(jī)械能E，對(duì)其吸收的rj cj電能E之比的平方根。即rd\o"CurrentDocument"K2=EE或K2=EE (2-1ijcd'ij ijcj,rdl)式(2—11)可以作為壓電晶體的壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的一種無量綱表示，能反映出壓電材料的能量轉(zhuǎn)換效率。故機(jī)電耦合系數(shù)可表示為K=hdd~ (2—12)ij:ijij式中，各量應(yīng)具有相同的下角注.2.2壓電式傳感器的等效電路當(dāng)壓電式傳感器的壓電敏感元件受力后,便在壓電元件一定方向的兩個(gè)表面上分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷，因此可以把壓電傳感器視為一個(gè)電荷源，其電荷等效電路如圖2-3(a)所示；同理當(dāng)壓電元件的表面聚集同性的正、負(fù)電荷時(shí)，則也可以將它視為一個(gè)電容器，壓電元件的電容器等效電路如圖2—3(b)所示。7壓電材料(a)電荷等效電路圖2。37壓電材料(a)電荷等效電路圖2。3壓電元件的等效電路(b) 0電容器等效電器等效電容為(2—13)式中：￡一壓電材料介電常數(shù)；￡r—壓電材料相對(duì)介電常數(shù);q-真空介電常數(shù)；s一極板面積；6一電荷面密度；t—壓電元件厚度；等效電容器兩極板間的電壓為：U『Q/Ca (2—式中：Q—兩極板間的電荷量.對(duì)式(2—14),可用以下兩種電路來等效壓電式傳感器。.電荷等效電路電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電路如圖2—4(a)所示，此電路的輸出為Q=CaUa (2一2.電壓等效電路一個(gè)電壓源與一個(gè)電容串聯(lián)構(gòu)成，如圖2-4(b)所示，此電路的輸出為Ua=Q/Ca (2-16)(司電荷源 (b)電壓源圖2。4壓電式傳感器的等效電路(a)電荷等效電解 伽＞電壓等致電踣圖2。5壓電式傳感器的實(shí)際等效電路傳感器的實(shí)際輸出中有傳感器對(duì)地的絕緣電阻Ra，電纜的分布電容Cc,放大器的輸入阻抗(Ri,Ci)等損耗，這樣，按照壓電元件的兩種等效電路，壓電式傳感器的實(shí)際等效電路也有兩種，如上圖2—5所示。2.3壓電式傳感器的信號(hào)變換電路2。3.1變換電路的必要性如上所述，壓電元件實(shí)際上可以等效為一個(gè)電容器，因此，它也存在著與電

容傳感器相同的問題，即具有高內(nèi)阻和小功率的問題，對(duì)于這些問題可以使用轉(zhuǎn)換電路來解決。.由于存在小功率問題，壓電傳感器輸出的能量就微弱，再加上電纜分布電容和干擾等因素，將嚴(yán)重影響輸出特性，為此在測量電路中需要加前置放大器。.由于存在高內(nèi)阻問題，使得壓電元件難以直接使用一般放大器，而必須使用前置阻抗變換器。對(duì)應(yīng)壓電元件的電壓源和電荷源等效原理，前置放大器也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式，而且必須具備有信號(hào)放大及阻抗匹配兩種功能.2。3。2電壓放大器因?yàn)閴弘娫?nèi)阻抗很高，再加上電級(jí)分布電容等因素，給直接放大造成一定困難。為了解決這個(gè)問題，常在信號(hào)放大之前使用阻抗變換器，將高阻抗變?yōu)榈妥杩馆敵?，如圖2—6所示.@等效電踏 出)@等效電踏 出)簡化圖圖2.6壓電傳感器與電壓放大器連接的電路(2-圖2—6(2-R=RaRi/(Ra+Ri)式中Ra-傳感器的絕緣電阻；Ri-前置放大器的輸入電阻；C=Cc+Ci (2—式中Ci—前置放大器的輸入電容；Cc-電纜電容。設(shè)作用在壓電元件上為一交變力FX,即Fx=Fm"in3t (2-19)當(dāng)使用的壓電元件材料為壓電陶瓷時(shí)，在Fx的作用下，壓電元件上產(chǎn)生的電荷量為q=d33Fx=d33FmSin3t (2-20)

(2—(2-22)(2—由式（(2—(2-22)(2—Ua=Q/Cad33FmSin3t由圖2—6可得到前置放大器的輸入電壓U，寫成復(fù)數(shù)形式為dFjwRU= 33^ i1+jwR（C+C）a則輸入電壓的幅值為：dF3RTOC\o"1-5"\h\zU=- 33mim ：1+(3R)2(C+C+C)2\o"CurrentDocument"a aci（2-23）輸入電壓與作用力之間的相位差為：6=--arctg(C+C+C)R32 aci24)大，在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器的輸入電阻Ri都為無窮即等效電阻R為無窮大的情況,電荷沒有泄漏，則式（2-23）變?yōu)椋捍?，U=dF.."(C+C+C)am33m'aci25)這樣放大器的實(shí)際輸入電壓幅值為：(2—(2-28)(2-29)UU-_3RCa+C+C(2—(2-28)(2-29)mam -1+（3r）2（c+c+c）■ aci26)T=R(C+C+C)aci（2-27）則（2—26）和（2-24）式分別變?yōu)?U:U=3T/'\：1+（3T）2im'am "兀,二一一arctg（3T）2式中T——測量回路的時(shí)間常數(shù)。.當(dāng)作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力（3=0）時(shí),則放大器的輸入U(xiǎn)im=0,這就從原理上說明壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。.當(dāng)3T〉＞1時(shí)，3T〉〉3,則UU。1,可以近似視為放大器的輸入電壓imam與作用力的頻率無關(guān)。在時(shí)間常數(shù)一定的條件下，被測物理量的變化頻率越高，越能滿足上述條件，則放大器的實(shí)際輸入電壓越接近理想的輸入電壓。這說明壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。

.為了擴(kuò)大傳感器的低頻特性，就必須提高回路的時(shí)間常數(shù)T,其辦法是:因?yàn)椤?R(Ca+CJC?，所以可以通過增大電路的等效電阻R,而R二RaRj(Ra+R)，因此需要增大傳感器的絕緣電阻Ra和放大器輸入電阻Ri；還可以通過增大Ca+Cc+Ci來提高T，但由式(2—22)得傳感器的靈敏度為S=^m~rn-=. 43 — (2-30)dFm 式1①R)2+(C+C+C)aci3R＞〉1時(shí)，傳感器的靈敏度為(2-31)d 33 C+C+C(2-31)所以增大(Ca+Cc+Ct)又會(huì)使傳感器的靈敏度下降，因此，切實(shí)可行的辦法是提高測量回路的電阻。而傳感器本身的絕緣電阻都很大，所以回路的電阻主要取決于放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時(shí)間常數(shù)就越高,傳感器的低頻特性也越好。.由式(2—31)知，電纜的分布電容Cc直接影響靈敏度Sd,所以標(biāo)定的電纜長度不能隨意改變,否則將造成測量誤差。也就是說，電壓放大器作為壓電傳感器的適調(diào)儀時(shí)，測量系統(tǒng)靈敏度及頻率特性受傳感器與信號(hào)適調(diào)儀之間電纜長度的影響。2.3.3電荷放大器電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，其等效電路如圖2—7所示。Cf圖2圖2。7電荷放大器的等效電路設(shè)A為放大器的開環(huán)增益，理想情況下為無窮大，放大器輸入阻抗理想情況下也為無窮大，則由圖2—7有以下各式成立U=U—U或U=-AU (2-32)01fo I聯(lián)立上二式解得U=-U/Ax0 (2-33)I o'由電容定義二叫(2-34)所以有U=-U=-QiC (2-35)of:f式中：Uo-放大器的輸出電壓；Uf—反饋電容端電壓；Q—電容帶電電荷。由式(2-35)可知：.電荷放大器的輸出Uo=f(Q,Cf),只與電荷量Q和反饋電容Cf有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜電容無關(guān)。.當(dāng)Cf為常數(shù)時(shí)，放大器的輸出Uo與電荷量Q成正比。.反饋電容減小，輸出電壓Uo增大，所以要使靈敏度提高必須選較小的Cf值，通過改變反饋電容，可調(diào)節(jié)電荷放大器的變換系數(shù)。4．電荷放大器的作用是將高內(nèi)阻傳感器的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻輸出的電壓源，使電壓輸出與輸入電荷成正比,且測量系統(tǒng)的靈敏度不受電纜變化的影響。第三章PDVF壓電傳感器3.1PVDF壓電薄膜PVDF是一種新型的高分子聚合物型傳感材料.1969年Kawai發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的壓電性以后，幾十年來，人們對(duì)PVDF薄膜的研究一直沒有中斷。同時(shí),PVDF與微電子技術(shù)相結(jié)合，能制成多功能傳感元件.下面我們簡要地介紹PVDF壓電薄膜的優(yōu)點(diǎn)：1、壓電常數(shù)d參數(shù)比石英高十多倍.雖然比PZT低，但作為傳感材料更重要的一個(gè)特征參數(shù)g的值比PZT高20倍左右。2、柔性和加工性能好，可制成5um到lmm厚度不等、形狀不同的大面積的薄膜膜，因此適于做大面積的傳感陣列器件。3、聲阻抗低:為3.5X10-6Pa.s/m,僅為PZT壓電陶瓷的1/10，它的聲阻抗與水的、人體肌肉的聲阻抗很接近，并且柔順性好，便于貼近人體，于人體接觸安全舒適，因此用作水聽器和醫(yī)用儀器的傳感元件時(shí),可不用阻抗變換器.4、頻晌寬，室溫下在10-5—109Hz范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，即從準(zhǔn)靜態(tài)、低頻、高頻、超聲及超高頻均能轉(zhuǎn)換機(jī)電效應(yīng).5、由于PVDF的分子結(jié)構(gòu)鏈中有氟原予使得它的化學(xué)穩(wěn)定性和耐疲勞性高，吸濕性低,并有良好的熟穩(wěn)定性，即耐潮濕、多數(shù)化學(xué)品、氧化劑、強(qiáng)紫外線和核輻射。6、高介電強(qiáng)度：可耐受強(qiáng)電場作用(75V/um),此時(shí)大部分陶瓷已退極化。7、質(zhì)量輕:它的密度只是PZT壓電陶瓷的1/4,做成傳感器對(duì)被測量的結(jié)構(gòu)影響小.8、容易加工和安裝:可以根據(jù)實(shí)際需要來制定形狀，用502膠來粘貼固定.3。1.1PVDF壓電薄模的壓電方程壓電效應(yīng)的物態(tài)方程反映了晶體電學(xué)量(E,D)和力學(xué)量(T,S)之間的互關(guān)系，因此壓電方程為：D=dT+￡tE (3-iippijij1)式中：T是應(yīng)力,E是電場強(qiáng)度,D是電位移，^T是介電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，d是壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣，i,j=l、2、3,P=1、2、3、4、5、6。

PVDF拉伸極化后具有4mm點(diǎn)群的對(duì)稱性。常選取x軸為拉伸方向，z軸垂直于膜面平行于極化方向，Y軸右手定則選取，如圖4-1所示。其壓電常數(shù)矩陣為：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"0 0 0 0d=0 0 0d24ddd0d 015\o"CurrentDocument"0 0\o"CurrentDocument"d 015\o"CurrentDocument"0 0\o"CurrentDocument"0 0圖3.1PVDF壓電薄膜示意圖3.1。2PVDF壓電薄膜制作傳感器的理論分析當(dāng)將PVDF壓電薄膜貼在薄板上時(shí)，板的坐標(biāo)軸X的方向與薄膜的拉伸方向%x之間的夾角為①這里我們稱0叫偏轉(zhuǎn)角，Z軸的方向它們是一致的，如圖3-2所示。圖3圖3。2薄板和薄膜位置示意圖薄板系統(tǒng)符合克?；舴虮“謇碚摰募僭O(shè)條件，即薄板系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力以T1,T2和T6為主。薄板的應(yīng)力和應(yīng)變符合廣義虎克定律T1T'2T'T1T'2T'6y；(i-v“1-0Y；2(1+S'1S，2S，6—2）圖=Y/（1-—2）圖=Y/（1-V2）VY.（1一V2）

/'/0Y/2（1+v^）—3）式中：上標(biāo)“□”表示在薄膜的坐標(biāo)系，Y是薄膜楊氏模量,vf是薄膜的泊松比，S是應(yīng)變，［c］：彈性剛度矩陣.由于偏轉(zhuǎn)角0的存在，應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:S'1S，2S，6S'1S，2S，6m2n2-2mnn2 mnm2 -mn2mnm2-n2（3-4）Tm（e）］=m2n2mnn2m2-mn-2mn2mnm2-n2S2S66」（3-5）式中：m=cos(0)，n=sin(0)，［Tm3)一轉(zhuǎn)換矩陣.薄板系統(tǒng)中應(yīng)變與位移的關(guān)系如圖3—3。（3-6）（（3-6）（3—7）變形前微單元 變形后微單元圖3.3薄板微單元變形前后示意圖其中微單元在x,y和z方向的位移為(uvw)d攻 dwu=u-z—— ，V=V-z——0Bdx 0BSy式中：zB如圖3—3所示是指薄板微單元中點(diǎn)B到中性面的距離。微單元的應(yīng)變?yōu)椋篶du cSvcSuSvS=——，S=—，S=——+—1dxx 2dy 6dydx將（3—6）式代入（3-7）式得：S'1S，2S，6d2Wdx2+一當(dāng)dy2cd2W—2——_ dxdy_(3—8）將式（3-8）代入（3-4）再代入（3—2）得:dud2WT1dx21T=[C1Tm(0)1dv+Z[C11m(0)]d2W2dykdy2T，6du dvd2W:常+貳」__dxdy_（3-9）du-d2W「T[1T二[Tm(0)Hc11m(0)1或dv+Z[Tm(0)>[C11m(0)]dx2d2W2T33」dydudvK1dx:kdy2_d2W[-2號(hào)將式（3-8）轉(zhuǎn)換到薄板坐標(biāo)系:(3-10)其中Z=（h+h）/2,hs是板的厚度hp是PVDF壓電薄膜的厚度。上標(biāo)“T”ksp表示矩陣轉(zhuǎn)置。將式（3-10）代入式（3—1），其中E=0，得D=[ddd11m(0)][C11m(0)]3 3T3'2' 3'6'。2Wd.x2d2W(3—合y2d2W—2d.xdy11）其中薄膜的壓電應(yīng)變常數(shù)和壓電應(yīng)力常數(shù)之間的關(guān)系為:[e3Te3'2'e]=[d d36 31 32d1口3'6'(3—12）坐標(biāo)變換后為:[e e31 32e]=lm(0)1r[e363T 3'2' 3'6'e]Tim(0)](3-13)根據(jù)高斯定律（Guass'sLaw），電場內(nèi)任意一表面的自由電荷為:(3-14)q(t)=JJDdxdy(3-14)Se3(3—這里Se是PVDF壓電薄膜的有效積分面積，即壓電薄膜兩邊都有電極覆蓋的部分(3—Se=M(x,y)15)式中S是PVDF壓電薄膜的面積，當(dāng)PVDF壓電薄膜兩邊都有電極覆蓋時(shí)，F(xiàn)（x，y）=1，其它部分F（x，y）=0。qJJ所以式（3—13）可以這樣表示：dyxd)ydudv du+Y+ (―+32dy 36dy^d^)[dxdyd2w d2w——+ ——+2d2w]dxdy（3-16）3.2PVDF壓電傳感器的設(shè)計(jì)由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體是由一維的梁和二維的板等簡單元素組成的，因此研究梁和板的振動(dòng)是研究復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)。其中梁又是振動(dòng)結(jié)構(gòu)體中最重要的組成部分，在工程中梁的使用也十分普遍。本章就是以經(jīng)典梁（歐拉一伯努利梁）為對(duì)象，建立模型，根據(jù)梁的振動(dòng)響應(yīng)的特性，利用PVDF壓電薄膜的積分特性，設(shè)計(jì)出正弦形狀和余弦形狀傳感器,并推導(dǎo)出在遠(yuǎn)場,簡諧波情況下，正弦形狀和余弦形狀傳感器可以測量振動(dòng)梁的可以測量位移、角位移、速度、加速度、應(yīng)變、應(yīng)力、彎矩、剪力.3.2。1梁的彎曲波在不考慮梁的橫向剪切和旋轉(zhuǎn)慣性的情況下,即梁為經(jīng)典梁的情況下，梁的長度為L,如果在x=xn處有集中力F=FsinQt）的作用，如圖3-4所示.pm

17)圖3.4非齊次邊界梁的受力模型17)圖3.4非齊次邊界梁的受力模型那么梁的振動(dòng)方程可表示如下：S4wiS2W

+ =F8(x-x)ej?tEImp其中:a=EIImn為波的傳播速度,E為楊氏模量，I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m=PS其中:單位長度梁的質(zhì)量,P為密度,S為梁的橫截面積。式（3—i7）是非齊次的可以變?yōu)辇R次式（3-i8）和式（3—19）加上在x=xp處的連續(xù)性條件。S4wS4w iS2w 八 i+ i=0Sx4 a2S12(0<x<x)p(3-18)S4w iS2w 八 2+ 2=0Sx4 a2S12（3-i9）w'(x)

2P在w'(x)

2Pw(x)=w(x),w'(x)=. 一 ip20）在x=xp連續(xù)性條件連同梁的左右邊界處的四個(gè)邊界條件，得到梁的齊次方程式(3—18)和式(3-i9)彎曲波的解：(3-21)w(x,t)=(Ae-jkhx+Bejkhx+Ce-khx+Dekhx)ej①t (0<x<x)(3-21)222)攻222)攻(x,t)=(Ae-jkhx+Bejkhx+Ce-%+Dekhx)ej?t (x <x<L)(3-其中：wi（x，t）和w2（x，t）為梁的橫向位移，Ai，Bi，Ci，Di和A2,B2,C2,D2為常數(shù)，i=j='=i，kh…。為彎曲波波數(shù)。所以梁的非齊次方程式（4—i7）的解為：(Ae-jkhx+Bej5x+Ce-khx+De^x)ej①t(3—23)(Ae-jkyx+Bejkbx+Ce—女尸+Dekbx)。腳2 222式(3—23)中,后兩項(xiàng)表示彎曲波的近場分量，隨著被測點(diǎn)與作用力之間距離的增加而不斷衰減，第一項(xiàng)和第三項(xiàng)表示彎曲波沿著X軸的正方向傳播，第二項(xiàng)和第四項(xiàng)表示彎曲波沿著X軸的負(fù)方向傳播。所以在X軸正方向的遠(yuǎn)場情況下，彎曲波的解可以表示成：，一Aej(?t-kbx) (0<x<x)p攻(x,t)- y (3-24)、Aejgt-kbx) (x<x<L)2 p對(duì)式(3—24)兩邊對(duì)x求二階導(dǎo)數(shù)，可以得到：d23， /CCL、 k2w (3-25)d.x2b由于式(3-25)是由式(3-24)求導(dǎo)數(shù)得到，所以其只有在遠(yuǎn)場，簡諧波情況下才成立，后面對(duì)它的引用，均滿足此條件。3.2。2振動(dòng)粱的基本物理量在遠(yuǎn)場情況下，根據(jù)經(jīng)典量中物理量之間的關(guān)系，我們可以知道:橫向位移： w(x,t)=Aej(?t-kbx) (3-26)角位移： 6(x,t)二任xt) (3—27)d.x彎矩： M(x,t)--EId2mxt (3-28)3x2應(yīng)變： e(x,t)--h32mx，t) (3-29)2 3x2Eh32w(x,t)應(yīng)力： o(x,t)—Ee(x,t)= (3-30)2 3x2剪力： S(x,t)=EI33W(x't， (3-31)3x33。3傳感器的設(shè)計(jì)在本文中，傳感器設(shè)計(jì)是針對(duì)一維梁結(jié)構(gòu)而言的，主要是用來測量梁上的振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)以及有關(guān)的物理量。

3。3。1形狀設(shè)計(jì)由于PDVF壓電模是貼在平板上的,所以，u0=0,v0=0,除=0,所以式(4—16)簡化為：d2w d2wq(t)=-ZJF(x,y)(e +e )dS (3-kS 31d.x2 32dy2對(duì)于梁結(jié)構(gòu)而言，由于寬度很小，可以忽落沿y軸方向的位移變化，式(3—32)簡化為：q(t)=-ZJlf(x)e^^dx (3-33)k0 31dx2其中：l表示PVDF傳感器的長度，它與整個(gè)梁的長度相比是一個(gè)小量，f(x)是PVDF傳感器的形狀函數(shù).根據(jù)PVDF壓電薄膜的性質(zhì)，我們將設(shè)計(jì)出正弦和余弦形狀的傳感器，我們就分別命名它們?yōu)檎覀鞲衅骱陀嘞覀鞲衅?。下面就分別介紹他們的設(shè)計(jì)原理。3.3.2正弦傳感器的設(shè)計(jì)我們把PVDF傳感器的形狀函數(shù)取為:（3-34）圖3。5PDVF正弦傳感器的形狀也就是說，讓PVDF壓電薄膜的有效電極的面積為曲線f1Q)與x軸所圍成的面積，這樣的有效面積的PVDF傳感器在理論上輸出的電荷量應(yīng)該為：q=-ZeJlsin（三）色^dx1k310l dx235）因?yàn)楹瘮?shù)sin(竺］和IlJd2w在區(qū)間hl］上連續(xù)，且函數(shù)sinf^x因?yàn)楹瘮?shù)sin(竺］和IlJ變號(hào)，根據(jù)積分中值定理［0,l］之間必然有一點(diǎn)xa，使得式(4—35)可以寫成:a

q=-Zed2wI Jlsin(巴)1k31dx2x=xa0l(3-36)07ld2W(3-36)=-2Ze Ik31兀dx2x=X“由式(3—36)可以知道，對(duì)于正弦形狀傳感器，其輸出的電荷量與在點(diǎn)X=Xa處位移的空間二階導(dǎo)數(shù)成正比3.3。3余弦傳感器的設(shè)計(jì)我們把PVDF傳感器的形狀函數(shù)取為:37)兀xf(x)=cos(7)2 l圖3兀xf(x)=cos(7)2 l圖3。6PDVF余弦傳感器的形狀產(chǎn)x、a2wq=-Ze cos(——) =-zkeJl/兀x

sin(-)=-zkeJl/兀x

sin(-)1/d2w, dxdx2=—Ze—k31兀./兀x、d2wsin(——=—Ze—k31兀./兀x、d2wsin(——) ldx20 0l dx3=-Ze—Jlsin(上)d3wdx (3-38)k31兀0ldx3利用積分中值定理，區(qū)間［0，l］之間必然存在一點(diǎn)xb可以將式(3-38)改寫成:d3w lJl 兀xq=-Ze I sin(——)dx2k31dx3x=xb兀0l=2Ze匕d3wI (3-39)k31兀2dx3x=xb

由式(3-39)可以知道,對(duì)于余弦形狀傳感器，其輸出的電荷量與在點(diǎn)x=xb處位移的空間三階導(dǎo)數(shù)成正比.圖3.7改進(jìn)后PDVF余弦傳感器的形狀對(duì)于余弦形狀的PVDF傳感器而言，函數(shù)f2(x)所包含的面積在x軸的兩側(cè),x軸兩側(cè)電極的極性相反。如果按照圖3-3所示的形狀制作余弦PVDF傳感器，就大大地增加了接線困難。把x軸下方的圖形翻轉(zhuǎn)至上方，如圖3-6所示就能避免這種麻煩。這兩種方案具有的測量效果，只是在傳感器制作時(shí)后者比前者方便.3。4正余弦傳感器測量物理量的原理我們導(dǎo)出正余弦傳感器的理論輸出電荷量，q=-2ZeLdwx=x與1k31兀dx2 aq=2Ze匕蟲wx=x，在實(shí)際應(yīng)用中，由于傳感器的長度l相對(duì)于梁的長度2k31兀2dx3bL來說是一個(gè)小量，所以我們認(rèn)為xa與xb分別為正弦和余弦傳感器在長度方向上的中點(diǎn)，以后我們就不再用下標(biāo)表示了，這樣，我們可以得到，(3-40)(3-TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"d2w 兀(3-40)(3- =- qdx2 2Zel1k31d3w 兀2 = q

dx3 2Ze122k3141)從式(3—40)我們也可以看到，位移的空間二階導(dǎo)數(shù)與PVDF正弦形狀傳感器所輸出電荷量成比例，從式(3-41)可以看到，位移的空間三階導(dǎo)數(shù)與PVDF余弦形狀傳感器所輸出電荷量成正比。在遠(yuǎn)場,簡諧波情況下，將式(3—25)代入式(3—40)得到測量點(diǎn)的橫向位移與PVDF正弦形狀傳感器所輸出電荷量關(guān)系的表達(dá)式為：w(x,t)= q2K2Ze1ibk31(3-42)同樣，在遠(yuǎn)場，簡諧波情況下，將式（3—25）代入式（3—41）得到測量點(diǎn)的角位移與PVDF余弦形狀傳感器所輸出的電荷量的關(guān)系表達(dá)式為： q2K2Ze12"2bk3143）將式（3—40）代入式（3—28）得到彎矩與PVDF正弦形狀傳感器所輸出電荷量表達(dá)式為：ElnM(x,t)= q2Ze1i

k31(3-44)將式（3—40）代入式（3-29）和式（3-30）式得到應(yīng)變和應(yīng)力與PVDF正弦形狀傳感器所輸出電荷量表達(dá)式為：ns(x,t)=q2e113145)Eno(x,t)=--qq2e1131(3—46）將式（3—41）代入式（3—31）得到剪力與PVDF余弦形狀傳感器所輸出的電荷量的關(guān)系表達(dá)式為：El兀2S(X,t)= q2Ze122k3147)第四章壓電加速傳感器4.1壓電式加速度傳感器的基本概念壓電式加速度傳感器由于具有良好的頻率特性，以及量程大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為振動(dòng)與沖擊測試技術(shù)中使用最為廣泛的一種傳感器。在各種沖擊、振動(dòng)傳感器中，它約占總數(shù)的80％以上。目前世界各國用做加速度傳遞標(biāo)準(zhǔn)的高頻和中頻標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器都是壓電式的。在工程中，欲測量幾個(gè)加速度8)到幾萬個(gè)加速度龜)，持續(xù)時(shí)間從小于一毫秒至幾十毫秒，而不需更換傳感器的,只有壓電式加速度傳感器。目前所用最小的壓電式傳感器的①為3.6mmX2。4mm,重為0.14g(克)；最大測量范圍為0——100000g(加速度);頻率下限可以達(dá)到0.03Hz(—3dB),頻率上限可達(dá)50kHz;溫度下限可達(dá)-270℃，溫度上限可達(dá)760℃，這是迄今為止所見到的非冷卻型傳感器的最高工作溫度。目前壓電式加速度傳感器廣泛的應(yīng)用于航空、航天、兵器、造船、紡織、機(jī)械及電器等各種系統(tǒng)的振動(dòng),以及沖擊測試、信號(hào)分析、環(huán)境模擬試驗(yàn)、模態(tài)分析、故障診斷及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面,如一架航天飛機(jī)中就有500多個(gè)加速度傳感器用于振動(dòng)監(jiān)測”。4.2加速度傳感器的工作原理在壓電元件上,以一定的預(yù)緊力安裝一個(gè)質(zhì)量塊,質(zhì)量塊上有一個(gè)彈簧片,這是典型的慣性式傳感器，如圖4—1(a)所示；其簡化的單自由度二階力學(xué)系統(tǒng)如圖4—1(b)所示。壓電式加速度傳感器質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用下式表示回m(尤+y)+dc+kx=0 (4-1)式中：m—質(zhì)量塊的質(zhì)量；c—阻尼系數(shù)；k一彈性系數(shù)；x一彈性塊相對(duì)于傳感器基座的位移：y一基座相對(duì)于大地的位移；歹一振動(dòng)物體的加速度，即傳感器基座的振動(dòng)加速度.

圖4。1加速傳感器工作原理示意圖設(shè)y=ysin3t，則有(4-(4-mx+cx+kx=my32sin3t

02)設(shè)1=1=c：2jkm，3=kmn(4-3)式中：自一無因次阻尼比；3一傳感器的無阻尼諧振頻率，即固有頻率；n3—物體的振動(dòng)頻率。壓電式加速度傳感器的己非常小，一般為0.04,可以忽略不計(jì)。在設(shè)計(jì)加速度傳感器時(shí)，要盡量提高加速度傳感器的無阻尼諧振頻率.在3n>>3，即加速度傳感器的無阻尼諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物體的振動(dòng)頻率時(shí)，有(4-4)這就說明，質(zhì)量塊的相對(duì)位移x與物體振動(dòng)加速度y成正比。壓電元件在質(zhì)量塊的慣性力作用下，輸出的電荷量對(duì)同一個(gè)加速度傳感器而言，其dij和m均為常數(shù)。所以傳感器輸出的電荷Q與物體被測振動(dòng)加速度y成正比，這樣就達(dá)到了壓電式傳感器測加速度的目的。4。3IEPE加速計(jì)在壓電傳感器內(nèi)置入微電子電荷或電壓放大器，即構(gòu)成集成電路壓電傳感器(IEPE)。內(nèi)裝電路將壓電元件產(chǎn)生的高阻抗靜電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成低阻抗電壓信號(hào)。IEPE采用低成本恒流源通過一個(gè)兩線電路供電，信號(hào)和電源占用一根線，另一根線為接地線.4。3。1IEPE加速計(jì)的工作原理根據(jù)壓電加速計(jì)采用敏感材料的不同和設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，有兩種類型的內(nèi)裝電子電路可供使用：(1)電壓模式轉(zhuǎn)換器。(2)電荷模式轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的IEPE傳感器技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于有較低等效電容的石英敏感元件一般用MOSFET電壓放大器作為內(nèi)裝電路，這是因?yàn)槭⒕w有相對(duì)高的電壓靈敏度；而壓電陶瓷材料往往具有非常高的電荷靈敏度，一般采用電荷變換器作為內(nèi)裝電路。下面分別敘述這兩種變換電路的工作原理.使用石英晶體的IEPE壓電加速計(jì)的工作原理是：當(dāng)傳感器測量某一振動(dòng)物體時(shí)，敏感元件感受的力轉(zhuǎn)化為電荷量，該電荷集中在晶體形成的電容C上，根據(jù)靜電學(xué)定律，在電容上形成一個(gè)電壓AU，并且“U=AQC由于石英晶體的等效電容低，有較高的電壓輸出，適合采用電壓放大器。電壓放大器的增益就決定了傳感器的最終靈敏度，傳感器輸出的瞬態(tài)電壓為AU，該電壓疊加在一個(gè)+10V的直流偏置電壓上。偏置電壓是一個(gè)常數(shù)，由放大器電路的電氣性能產(chǎn)生。同時(shí)傳感器的輸入阻抗小于100。，低阻抗電壓信號(hào)可以在惡劣環(huán)境中驅(qū)動(dòng)長電纜而不會(huì)損失信號(hào)質(zhì)量.使用電壓陶瓷作為敏感元件的IEPE加速計(jì)通常采用電荷交換原理實(shí)現(xiàn)阻抗變換，這是因?yàn)榭梢猿浞掷脡弘娞沾呻姾伸`敏度高的特點(diǎn)，獲得理想的傳感特性。傳感器的電氣特性與前面所敘述的電荷放大器類似，輸出電壓為電荷與反饋電容之比［9］。2IEPE加速計(jì)的優(yōu)點(diǎn)低阻抗輸出是IEPE的主要優(yōu)點(diǎn)，它可以使用長的普通電纜在惡劣環(huán)境中連續(xù)工作，而不會(huì)增加系統(tǒng)噪聲和損失測量信號(hào)的分辨能力。IEPE加速計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：.操作簡單IEPE加速計(jì)測量系統(tǒng)操作簡單，幾乎不需要專業(yè)知識(shí)和培訓(xùn).傳感器有固定的靈敏度，低阻抗輸出信號(hào)幾乎不受電纜類型，長度和測量類型的影響。.分辨率IEPE加速計(jì)的分辨率不受電纜類型和長度影響.分辨率是傳感器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo).IEPE加速計(jì)在使用長電纜時(shí)噪聲不會(huì)增大,也不會(huì)損失分辨率，信號(hào)沒有衰減.當(dāng)電纜長度增加到上百米時(shí)，對(duì)于高頻數(shù)據(jù)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，對(duì)于一般的振動(dòng)信號(hào)無明顯影響..適應(yīng)惡劣的環(huán)境密封的1EPE加速計(jì)能在惡劣的環(huán)境中正常工作。由于所有的高阻抗電路完全封裝在傳感器內(nèi),使得IEPE加速計(jì)的防污能力比較強(qiáng)，IEPE加速計(jì)己成為工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、水下、船舶、運(yùn)輸工具和野外測試的首選振動(dòng)傳感器.

.允許使用各種接插件IEPE加速計(jì)的低阻抗輸出允許使用各種類型的電纜和接插件。微型IEPE加速計(jì)一般采用可焊接引出端，以便使用輕柔的電纜來減小應(yīng)力和質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)。.動(dòng)態(tài)范圍寬IEPE加速計(jì)有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，而且IEPE加速計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍不會(huì)因?yàn)闇y量系統(tǒng)電纜長度的增加和系統(tǒng)配置的變化而減小..IEPE加速計(jì)使用的經(jīng)濟(jì)性高由于IEPE測量系統(tǒng)不使用特殊的低噪聲電纜和電荷放大器，每個(gè)通道的測量成本比較低，從工作角度看，低阻抗測量系統(tǒng)的維護(hù)和使用需要更簡便［10］。由于IEPE加速計(jì)的這一系列的優(yōu)點(diǎn)，它正被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)，并發(fā)揮著它應(yīng)有的作用.4.4壓電加速傳感器在振動(dòng)測量中的應(yīng)用1壓電式加速計(jì)的測振原理壓電式傳感器是一種機(jī)電換能器，所用的壓電材料（如天然石英、人工極化陶瓷等）在受到一定的機(jī)械荷載時(shí)，會(huì)在壓電材料的極化面上產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的載荷成正比。當(dāng)壓電晶體片受力時(shí)，晶體的兩表面上聚集等量的正、負(fù)電荷，由于晶體片的絕緣電阻很高，因此壓電晶體片相當(dāng)于一只平行板電容器，如圖3-2所示。圖4圖4。2壓電晶體內(nèi)部等效圖其電容量為(4-5)晶體片上產(chǎn)生的電壓量與作用力的關(guān)系為q dd ddL(4-6)一=33F=33Fsin3t(4-6)ceA eAma式中：￡為壓電晶體的介電常數(shù)；A為晶體片（構(gòu)成極板）的面積；d為晶體片的厚度;d33為壓電系數(shù);F為沿晶軸施加的力。壓電式加速度計(jì)的晶體片確定后,d33、d、￡、A都是常數(shù)，則晶體片上產(chǎn)生的電壓量與作用力成正比.測量時(shí)，將壓電式加速度計(jì)基座與試件剛性固定在一起（安裝基面粗糙度不超過0.45m）。當(dāng)加速度計(jì)受振動(dòng)時(shí)，由于壓電片具有的壓電效應(yīng)它的2個(gè)表面上就會(huì)產(chǎn)生交變電荷（電壓）口0］。而此交變電荷（電壓）又與作用力成正比，因此交變電荷（電壓）與試件的加速度成正比。這就是壓電式加速度計(jì)能夠?qū)⒄駝?dòng)加速度轉(zhuǎn)變成為電量進(jìn)行測振的原理。4。4。2用壓電式加速度傳感器的振動(dòng)測試方案典型的振動(dòng)測試系統(tǒng)由壓電式加速度計(jì)、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成,如圖3—3所示。被測對(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)換為電壓信號(hào)并放大，通過數(shù)據(jù)采集測試儀采樣，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的采集。采集得到的信號(hào)可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、分析和處理也可以保存以便二次處理.圖4。3振動(dòng)測試系統(tǒng).壓電式加速度計(jì)測試系統(tǒng)中，壓電式加速度計(jì)的作用是把振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。為準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，對(duì)加速度計(jì)有如下的基本要求：（1）具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，即對(duì)非常低和非常高的振動(dòng)都能精確地響應(yīng)；（2）具有較寬的頻率響應(yīng)范圍；（3）在其頻率響應(yīng)范圍內(nèi)具有良好的線性度；（4）對(duì)環(huán)境干擾具有最低的靈敏度；（5）結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，能夠長時(shí)間保持穩(wěn)定的特性。在使用加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意靈敏度性能指標(biāo).靈敏度是指在一定機(jī)械量作用下，傳感器輸出的電荷（電壓）數(shù)靈敏度有2種表現(xiàn)方式：電荷靈敏度和電壓靈敏度。由于系統(tǒng)加速度計(jì)是與電荷放大器連接使用，因此選用電荷靈敏度;c_輸出電荷_qSq輸入加速度a加速度計(jì)可直接安裝在試件表面上，也可用安裝塊。無論采用何種方式安裝,都應(yīng)保證傳感器的敏感軸向與受力方向的一致性；另外，為保證最佳的機(jī)械接觸面，安裝接觸面要求有高平行度、平直度和低粗糙度。如果被測物表面形狀復(fù)雜，需同時(shí)測量多方向的加速度或?yàn)楸苊庠嚰a(bǔ)加工等場合，則需借助安裝塊進(jìn)行安裝.實(shí)際測試時(shí)，為了防止電纜相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦而引起的“電效應(yīng)”，除需選用低噪聲電纜,還應(yīng)把電纜牢固地固定在試件上..電荷放大器壓電加速度計(jì)產(chǎn)生的電荷量很小，輸出阻抗很高，因此與它相連的儀器輸入阻抗的大小將對(duì)測量系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。高輸入阻抗的前置放大器就是以此為目的而設(shè)置的。壓電加速度計(jì)與電荷放大器相連后的等效電路如圖4—4所示。其中，q為傳感器產(chǎn)生的電荷;A為電荷放大器開環(huán)放大倍數(shù)；Ra為傳感器內(nèi)部電阻；Ri為電荷放大器的輸入電阻;Ca為傳感器內(nèi)部固有電容Cc為連接電纜的分布電容；Ci為放大器的等效電容；Cf為電荷轉(zhuǎn)換級(jí)的反饋電容；Ui與U0分別為電荷放大器的輸入與輸出電壓。傳慝器一+|電境＞?一電荷放大器圖4。4電荷放大器等效電路由運(yùn)算放大器基本特性，可將等效電路圖簡化并得出電荷放大器的輸出電壓為TOC\o"1-5"\h\zU= Aq (4\o"CurrentDocument"0C+C+C+(1+A)Caci f—7)通常A=104?106,因此若滿足(1+A)C/ACa+Cc+Ci時(shí)，上式可以表示為qSU2——二——qa (4-8)0CCff式中：Sq為傳感器的電荷靈敏度;a為傳感器的輸入加速度。由上式(3)看出，電荷放大器的輸出電壓基本上由傳感器電荷靈敏度和反饋電容的大小來確定，而傳感器的內(nèi)部電容和連接電纜的分布電容及放大器的輸入電容對(duì)輸出電壓的影響較小?？梢?，電荷放大器實(shí)際上是具有負(fù)反饋電容、輸入阻抗極高的高增益運(yùn)算放大器。它將壓電加速度計(jì)看成電荷源，并輸出與之成正比的低輸入阻抗的電信號(hào)。其作用是：變壓電加速度計(jì)的高輸出阻抗為前置放大器的低輸出阻抗，以便同測量儀相匹配；放大從傳感器輸出的微弱信號(hào)，或者把它的電荷變成電壓信號(hào)；輸出電壓歸一化.即它與不同靈敏度的傳感器相配合時(shí)，在相同的信號(hào)輸入下，達(dá)到相同的輸出電壓..動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集測試儀是振動(dòng)測試系統(tǒng)最重要的一環(huán).其實(shí)質(zhì)是一種帶通訊接口和程序控制的多功能智能儀表，具有內(nèi)置調(diào)理功能，可直接對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行測量，也可以通過相應(yīng)的控制模塊對(duì)外控制輸出，通過其自帶的RS—232、RS一485/422、GPIB或Ethemet等通訊接口，能與加速度傳感器、前置處理器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成適用于各種領(lǐng)域的振動(dòng)測量數(shù)據(jù)測試分析系統(tǒng).目前，市場上能與加速度計(jì)匹配的數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)繁多，性能穩(wěn)定。但對(duì)數(shù)據(jù)采集儀有如下基本要求：具有標(biāo)準(zhǔn)總線體系結(jié)構(gòu)，電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性好；操作簡單，使用方便，具有很好的可靠性及可維護(hù)性；具備多通道并行數(shù)據(jù)采集的功能；具備一機(jī)多用，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理等多功能；具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)輸出能力（存盤、通訊、打印、修改曲線等）；具備靈活的組合和擴(kuò)展功能.4。4.3振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)的測量各種建筑工程基礎(chǔ)壓實(shí)中經(jīng)常使用振動(dòng)壓路機(jī)，其工作部件（振動(dòng)輪）的壓實(shí)效果受多種因素的影響。通常被壓土壤性能影響工作中振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的動(dòng)態(tài)性能；另外，為實(shí)現(xiàn)高效壓實(shí)，振動(dòng)壓路機(jī)中各種運(yùn)行參數(shù)也隨被壓土壤性能自動(dòng)調(diào)整；因此振動(dòng)輪相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律和調(diào)整準(zhǔn)則的研究顯得尤為重要。結(jié)合振動(dòng)輪系統(tǒng)理論分析結(jié)論，采用如圖3-5所示的測量系統(tǒng),選擇某樣機(jī)在施工現(xiàn)場測取系統(tǒng)的主要響應(yīng)信號(hào).由分離的加速度計(jì)、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集測試儀組成振動(dòng)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：通道數(shù)為8;采集方式為多通道并行;A/D分辨率為12bit；最高采樣頻率為1MHz;頻率范圍為0.5Hz?6kHz；低通濾波器的衰減斜率為一12dB/OCT；加速度工作方式為疊加型平面剪切；平均方式為塊平均（又稱順序平均）；加速度測量范圍為0?50私’S2；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度為任意（視硬盤空間而定）.施速度計(jì)施速度計(jì)圖4。5壓路機(jī)振動(dòng)測量系統(tǒng)測試現(xiàn)場壓實(shí)材料為礫類土，壓路機(jī)的行走速率控制為1.7km/h.對(duì)采集得到的加速度信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，可得功率譜值的變化趨勢，與理論分析所得結(jié)論是一致的，即振動(dòng)輪系統(tǒng)中主要響應(yīng)參數(shù)是隨著壓實(shí)作業(yè)過程中土壤性能變化呈現(xiàn)規(guī)律性變化的。將此規(guī)律應(yīng)用于土壤壓實(shí)度的自動(dòng)檢測，為土壤密實(shí)度在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了新思路。在提高振動(dòng)輪的壓實(shí)效果的同時(shí)，此規(guī)律也為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)作業(yè)的自動(dòng)化提供了理論依據(jù).壓電式加速度計(jì)、電荷放大器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀組成振動(dòng)測試統(tǒng)的原理,可以為振動(dòng)加速度測量或監(jiān)測提供一種手段，也可為需要解決振動(dòng)現(xiàn)象的工程提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持.隨著學(xué)技術(shù)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，大量的工程振動(dòng)問題不斷地出現(xiàn)，相信該系統(tǒng)將應(yīng)用更加廣泛。AD系列ICP傳感器是內(nèi)裝微型IC放大器的壓電加速度傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能直接和記錄、顯示和采集設(shè)備連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。廣泛應(yīng)用于核爆炸、航空航天、鐵路、橋梁、建筑、車船、機(jī)械、水利、電力、石油、化工、環(huán)保、地震等領(lǐng)域.AD系列ICP傳感器主要特點(diǎn)如下：1、結(jié)構(gòu)合理，電路優(yōu)化。主要元器件和插接件均為美國或臺(tái)灣生產(chǎn)，精度高、噪音低、漂移小，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠.2、輸出可配長電纜而不影響測量精度。3、輸出可以直接用數(shù)字萬用表、示波器或輸出給數(shù)據(jù)采集器.4、傳感器為全封閉結(jié)構(gòu)有效防塵、防潮、防有害氣體。二、ICP傳感器的原理AD系列ICP傳感器內(nèi)部是由壓電加速度傳感器和微型IC放大器組成.壓電加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用目前世界先進(jìn)的隔離剪切結(jié)構(gòu);內(nèi)部關(guān)鍵IC均為美國原裝進(jìn)口。傳感器的輸出具有兩線聯(lián)接特征；即傳感器的信號(hào)輸出和內(nèi)置IC放大器所需的恒流激勵(lì)為同一根線，另一根線為地線。傳感器標(biāo)配電纜為STYV-1'和STYV-II兩款型號(hào)的低噪音電纜.三、ICP傳感器的主要型號(hào)型號(hào)靈敏度頻率響應(yīng)Hz量程安裝方式重量用途、特征AD50T50mV/g0。3?15000100gM525/31克通用測振L5頂端AD50T-T50mV/g0。5—5000100gM531克工業(yè)測振、TNC接頭AD50T—J50mV/g0.5—12000100gM532克工業(yè)測振、對(duì)地絕緣AD50S50mV/g0。3—10000100gM525/31克通用測振、側(cè)端L5AD100T100mV/g0。3?1500050gM531克通用測振L5頂端AD100T-J100mV/g0。5~1200050gM535克工業(yè)測振、對(duì)地絕緣AD100T—T100mV/g0。5?500050gM535克工業(yè)測振、TNC接頭AD100S100mV/g0。3?1000050gM532克通用測振、側(cè)端L5AD500T500mV/g0。3~1500010gM535克小g值測振L5頂端AD500T-J500mV/g0.5?1200010gM538克絕緣、低頻小g測振AD500T-T500mV/g0o5?500010gM538克工業(yè)測振、TNC接頭AD500S500mV/g0o5?1000010gM535克低頻小g測振AD1000T1000mV/g0.5?150005gM535克超小g值測振AD1000T-T1000mV/g0.2~50005gM538克工業(yè)型低頻小g測振AD1000T-J1000mV/g0.5?120005gM538克絕緣、低頻小g測振AD1000s1000mV/g0o2?100005gM535克側(cè)端小g測振*AC102—1A100mV/g0.5?1500050g1/4in90克磁電雙屏蔽、隔離絕緣附注說明：1、傳感器型號(hào)后第一個(gè)T代表TOP,頂端輸出，第二個(gè)T表示傳感器的輸出插接件為TNC形式，默認(rèn)為L5輸出。2、傳感器型號(hào)后J表示傳感器為絕緣傳感器。輸出接頭為TNC或L5可選；對(duì)應(yīng)頻率響應(yīng)分別為：5000Hz或12000Hz.3、傳感器型號(hào)后S表示傳感器為側(cè)端輸出。4、傳感器標(biāo)配為：①、AD系列傳感器每只傳感器標(biāo)配1.5米電纜、M5連接螺釘一個(gè)。②、進(jìn)口傳感器標(biāo)配輸出插接件、英制連接螺釘一個(gè).5、傳感器的其它共性技術(shù)參數(shù)：①、橫向靈敏度:三％；典型值4％②、輸出偏壓：8?12VDC③、激勵(lì)電壓：18?30VDC典型值：24VDC④、恒定電流：2~10mA；典型值：4mA⑤、放電時(shí)間常數(shù)：＞0o2S⑥、輸出阻抗：〈100Q⑦、安裝力矩：約20Kgf-cm（M5螺釘）⑧、使用溫度:一40?120℃四、ICP傳感器的選擇AD系列ICP加速度傳感器有許多種規(guī)格，每種傳感器都有其特別適用的場合。因此，為獲得高保真的測試數(shù)據(jù)，需要用戶根據(jù)自己的測試要求選擇最適合的壓電加速度傳感器。通常加速度傳感器的選用主要權(quán)衡因素有三點(diǎn)：重量、頻率響應(yīng)、和靈敏度。1、重量：傳感器作為被測物體的附加重量，必然會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)狀態(tài).如果傳感器的的重量接近被測物體的動(dòng)態(tài)質(zhì)量，則被測物體的振動(dòng)就會(huì)受到影響而明顯減弱。特別是有些物體雖然其本身質(zhì)量較大，但是傳感器安裝在其局部，例如一些薄壁結(jié)構(gòu)，傳感器的質(zhì)量已經(jīng)和被測物體的局部質(zhì)量相近了，也會(huì)明顯影響其局部的振動(dòng)狀況。因此要求傳感器的被測質(zhì)量Ma遠(yuǎn)小于傳感器安裝點(diǎn)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量M.由于傳感器的質(zhì)量的影響，會(huì)使被測構(gòu)件的加速度a降低，因此其降低的加速度4a可用下式估算:^aua[1-M/（M+Ma）].2、頻率響應(yīng)特性：低頻響應(yīng)特性：傳感器用戶使用手冊給出的下限頻響為-10%的頻響.ICP加速度傳感器的低頻響應(yīng)特性主要有內(nèi)藏IC芯片和傳感器的基座應(yīng)變、熱釋電效應(yīng)等環(huán)境特性所決定。高頻響應(yīng)特性:傳感器用戶使用手冊給出的上限頻響為+10%的頻