压电传感器教程.ppt

* (4) 压电式压力传感器的应用 压电式压力传感器的动态测量范围很宽，频响特性好，能测量准静态的压力和高频变化的动态压力。除此之外，还具有结构坚实、强度高、体积小、质量轻、耐高温、使用寿命长等优点。 因此广泛应用于内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量。在航空上的应用更有它特殊的作用，例如在高超音速脉冲风洞中，用它来测量风洞的冲激波压力；在飞机上，用它来测量发动机燃烧室的压力。 压电式压力传感器在军事工业上的应用范围也很广。例如，用它来测量枪（炮）弹在膛中击发一瞬间的膛压变化，以及炮口的冲击波压力等。 * * 3.压电式加速度传感器 （1）结构组成 基 座 壳体 弹簧 质量块 压电片 输出端 * * （2）工作原理 测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，使传感器的质量块与试件有相同的运动并受到与加速度方向相同的力的作用。 质量块就有一个正比于加速度的交变力作用在压电元件上。压电元件两个表面上产生交变电荷（或电压）。 当试件的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出电荷（或电压）正比于作用力。 即q = dijF * * （3）灵敏系数 由于传感器输出电荷量与试件的加速度成正比 ，所以压电式加速度传感器的电荷灵敏系数KQ与电压灵敏系数KU分别为 * * （4）压电式加速度传感器的应用 压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、质量轻、测量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点。它是测量振动和冲击的一种理想传感器。 ①用于小试件测试 例如，在测量飞机构件（特别是薄板型小构件）的振动时，为了不使构件的振动失真，传感器的质量应尽可能地轻。采用压电式加速度传感器，能较为准确地测量出构件的振动。 * * * * ②中高温环境下的振动测试 随着耐高温的压电材料的研制成功，现在已研制出在400℃，甚至高达700℃的中高温环境下应用的压电式传感器。 如航空发动机最大的振动一般发生在涡轮轴附近，这里的温度高达650℃以上，且留给传感器安装的空间又很小。采用压电式加速度传感器测量，它不仅耐高温、而且体积小，能安装在涡轮发动机轴承机匣上，能相当准确的测量出发动机的最大振动。现在许多发动机振动检测系统中都采用了压电式加速度传感器。 * * ③冲击和振动测试 例如：机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度，振动剧烈时还会降低机床的使用性能。通过动态实验，采用压电式加速度传感器进行检测，模态分析，可充分了解各种机床的动态特性，找出机床产生受迫振动，爬行以及自激振动（颤振）的原因，从中寻找出防止和消除机床振动的方法和提高机床抗振性能的途径。 又如：车辆道路模拟实验，火车环境振动测量分析，人体的动态特性研究等很多方面，压电式加速度传感器都有着广泛的应用。 * * （5）压电式振动加速度传感器的结构及外形 横向振动测振器 纵向振动测振器 * * 4. 集成压电式传感器 集成压电式传感器是指集压电元件和专用放大器于一体，采用压电薄膜作为换能材料，将动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。 集成压电式加速度传感器具有灵敏度高，抗过载和冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等优点，已经广泛应用于工业控制、医疗、交通、安全防卫等领域。 * 本节小结 1.压电式传感器的工作原理：压电效应 2.常用的压电材料：石英晶体和压电陶瓷 3.压电元件常用结构形式：串联和并联 4.压电元件的等效电路（静电发生器或电容） 5.压电式传感器的测量电路：电压放大器和电荷放大器 6.压电式加速度传感器工作原理、特性（灵敏度、频率响应）、应用；压电式压力传感器的原理、灵敏度、应用 * * 思考与练习题 1 什么是压电传感器？它有何特点？ 2 什么是压电效应？什么是逆压电效应？ 3 试分析石英晶体的压电效应机理。 4 试分析压电陶瓷的压电效应机理。 5 为何压电传感器通常用来测量动态或瞬态参量？ 6 压电材料选取时应考虑哪些因素？ 7 试分析压电传感器的等效电路。 8 压电传感器的前置放大器作用是什么？比较电压式和电荷式前置放大器各有何特点。 9压电元件在应用时常采用多片串联或并联结构形式，试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？ 10 什么是电压灵敏度？什么是电荷灵敏度？ * 6.3压电传感器的等效电路和测量电路 　1.等效电路 压电晶体承受被测机械力作