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压电式传感器应用与发展
姓名李松松
(合肥学院电子信息与电气工程系09级自动化专业,0905075015)
摘要:本文介绍了压电式传感器的原理,对压电效应与压电材料做了简单的介绍。举了压电式传感器在火力发电厂以及辐射冲击波中的应用两个例子。文中最后简单介绍了压电式传感器的发展情况。
关键词:压电传感器压电晶片辐射冲击波发展
0引言
压电式传感器突出的特点是传感器内无可动部件,且具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作靠、重量轻等优点。特别是由于电子技术的飞跃发展,随着与之配套的二次仪表以及低噪声、高绝缘电阻、小电容量电缆出现,使压电式传感器获得广泛的应用。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术,日益受到人们的重视。
1压电式传感器的原理
压电式传感器是利用材料的压电效应,将被测力、加速度等参数转换为电荷量或电压参数的变化进行输出的一种传感器装置,是典型的有源传感器。
1.1压电效应和压电材料
某些晶体当受到一定方向外力的作用时,内部将产生极化现象,同时在它的两个对应晶面上产生符号相反的等量电荷,当外力取消后,电荷也随之消失,这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随着改变。相反,当在晶体的极化方向上施加电场作用时,这些晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形,外
加电场消失,变形也随之消失,这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。
目前压电材料可分为三大类:一是压电晶体(单晶),它包括压电石英晶体和其它压电单晶;二是压电陶瓷(多晶半导瓷);三是新型压电材料,又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。
1.2测量电路
传感器的等效电路
压电晶片受外力作用时,将在两个电极表面产生电荷,这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器,因此,可以把压电式传感器等效为一个与电容并联的电荷源,也可以等效为一个与电容串联的电压源必须指出的是,上述等效电路及其输出,只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra=RI=∞)的条件下才成立。在构成传感器时,总要利用电缆将压电器件接入测量线路或仪器。这样,就引入了电缆的分布电容Cc、测量放大器的输入电阻Ri和电容Ci等形成的负载阻抗影响。
压电晶片的串联与并联
实际应用中为提高传感器的灵敏度,通常将多个压电晶片组合在一起使用,连接方法有两种:并联或串联。压电晶片串联时,输出电压比单片时提高一倍,输出电荷量则保持不变。压电晶片并联时,输出电压与单片时相同,而输出电荷量则是单片时的两倍。
测量电路
压电式传感器的内阻抗很高,而输出的信号很弱,因此一般不能直接显示和记录,也不能做静态信号的测量。它的测量电路需要一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配,这样才能防止电荷迅速泄漏,从而使测量误差减小。压电式传感器的前置放大器有两个作用:一是阻抗变换(把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出);二是放大压电式传感器输出的微弱信号。压电式传感器的输出信号可以是电压,也可以是电荷。因此,前置放大器也有两种形式:一种是电压放大器,它的输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比;一种是电荷放大器,其输出电压与传感器的输出电荷成正比。电压放大器与电荷放大器相比,电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠,但是,电缆长度对测量精度的影响较大,而使用电荷放大器则可以在一定的条件下,使传感器的灵敏度与电缆长度无关。
2压电式传感器的应用
压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的压力。
2.1在火电厂上的应用
电厂的汽轮发电机组是一个大型的转动机械,其运行的可靠性,在很大程度上取决于机组的振动状态。因此,对汽轮发电机组进行振动监控,对防止重大的设备损坏事故有着重要的意义。压电式传感器是用于测量机组振动的新型传感器,用压电式传感器取代磁电式传感器是汽轮发电机组监控系统的一个新趋势。
目前,火电厂测汽轮发电机组的振动多采用磁电式传感器。
磁电式传感器应具有长时间工作的可靠性和稳定性,然而,在实际工作中,它恰恰是汽轮机监控系统中的最薄弱环节,磁电式传感器成了一个易损部件,其原因如下:
(1)采用平面型膜片弹簧悬挂动圈式可动结构的磁电式传感器,对于50Hz单调激励,其弹簧易于疲劳。
(2)永久磁铁处于温度较高的振动环境中,容易发生磁衰。
(3)磁电式传
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