压电加速度测量系统的设计

图 2 压电传感器测量等效电路图
图中, A K 为运算放大器增益。由于运算放大器 的 R i 极高, 而 Ra = 109 ~ 10l4 , 所以可认为 R i 和 Ra 是开路的。设运算放大器输入电压为 Ui , 输出电 压为 Uo , 根据运算放大器理论和电路理论得电荷量 为
Q= U i( Ca + Cc + Ci ) + ( U i- Uo ) CF
压电加速度传感器的原理如图 1 所示。实际测 量时, 将图中的支座与待 测物刚性地固定 在一起。 当待测物运动时, 支座与待测物以同一加速度运动, 压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的 作用, 在晶体的两个表面上产生 交变电荷( 电压) 。 当振动频率远低于传感器的固有频率时, 传感器的
图 1 压电加速度传感器原理图
( 3)
式中 d 为晶片厚度。则平均力为
F=
1 d
d 0
Ma + ma
1-
z d
dz =
M+
1 2
m
a
( 4)
因晶片为压电陶瓷, 极化方向在厚度方向( z 方 向) , 作用力沿着 z 方向, 故此时外加应力只有 T 3, 不等于零, 其平均值为
T 3=
1 A
(
M+
1 2
m)
a
( 5)
式中 A 为晶片电极面面积。
第 31 卷 第2 期
压电与声光
2009 年4月
PI EZO EL ECT ECT RI CS & ACO U ST OO PT ICS
文章编号: 1004 2474( 2009) 02 0215 03
Vo l. 31 No . 2 Apr . 2009
压电加速度测量系统的设计
邢丽娟, 杨世忠
( 青岛理工大学 自动化工程学院, 山东 青岛 266520)
选用 D 型压电常数矩阵, 得电荷
Q= d33 T 3 A = d33 ( M+
1 2
m)
a
( 6)
式中 d33 为压电常数。由于质量块一般采用质量大 的金属钨或其他 金属制成, 而晶片很薄, 即有 M m, 故式( 6) 通常写为
Q= d33 M a
( 7)
由式( 7) 可知, 压电元件的 Q 和 d 33 、M 成正比,
摘 要: 现代工业和自动化生产过程中, 动态测试 中振动 和冲击的 精确测 量很重 要。常用压 电加速 度传感 器
来获取冲击和振动信号。在研究压电加速度传感器的基 础上, 分析了 测量的 工作原 理, 提出加速 度测量 的设计 方
法; 加入温敏元件, 进行温度补偿, 使其应用温度范围扩大 。给出适 合该类传感器的信号检 测电路和 加速度测量 系
4 结束语
压电加速度传感器是基于某些介质材料的压电 效应, 是典型的有源传感器, 当材料受力作用而变 形时, 其表面会有电荷产生, 从而实现加速度的测 量。压电加速度测量系统的优点是通频带宽, 量程 大, 体积小, 质量轻, 结构简单; 且系统中增加了温度 补偿, 解决了普通压电加速度传感器受温度影响大 的缺点, 提高了它的性能和可靠性, 可广泛应用于各 种动态力、机械冲击与振动等测量领域, 具有良好的 开发前景与应用价值。
用于压电元件的力为 F上, 支座作用于压电元件的 力为 F下 , 则有
F上= Ma
( 1)
F下= ( M+ m) a
( 2)
式中 M 为质量块质量; m 为晶片质量; a 为物体振
动加速度。
由式( 1) 、( 2) 可得晶片中厚度方向( z 方向) 任 一截面上的力为
F= M a+ ma( 1- z / d)
1 测量原理
压电加速度传感器采用具有压电效应的压电材 料作基本元件, 是以压电材料受力后在其表面产生 电荷的压电效应为转换原理的传感器。这些压电材 料, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 内部就
产生极化现象, 同时在它的两个相对的表面上便产 生符号相反的电荷; 当外力去掉后, 又重新恢复不带 电的状态; 当作用力的方向改变时, 电荷的极性也随 着改变。
因此, 压电传感器可以等效为一个与电容相串 联的电荷源。压电传感器本身的内阻抗很高, 而输 出能量较小, 因此, 它的测量电路通常需接入一个高 输入阻抗的前置放大器, 其作用如下:
( 1) 把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗。 ( 2) 放大传感器输出的微弱信号。本设计中前 置放大器采用电荷放大器。 压电传感器在实际使用时与测量仪器或测量电 路相连接, 因此还需考虑连接电缆的等效电容 Cc、 放大器的输入电阻 Ri 、输入电容 Ci 及压电传感器的 泄漏电阻 Ra , 这样压电传感器在测量系统中的实际 等效电路如图 2 所示。
收稿日期: 2007 10 17 作者简介: 邢丽娟( 1973 ) , 女, 内蒙古包头市人, 讲师, 硕士, 主要从事智能仪及计算机过程控制的研究与应用。
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压电与声 光
2009 年
输出电荷( 电压) 与作用力成正比。电信号经前置放 大器放大, 即可由一般测量仪器测试出电荷( 电压) 大小, 从而得出物体的加速度。
( College of A ut omati on En gi neering, Q ingdao T echnological U niversit y, Q ingdao 266520, Chin a) Abstract: In modern industry and automatic pro ductio n, the accurate measurement of the v ibration and str ike in test ing dynamically seems especially import ant. Fo r the acquisit ion of signal, the mo st co mmon used sensor is piezoe lect ric accelero meter. On the basis o f researching piezo electric acceler ometer senso r, this paper analyzed the w o rk pr inciple o f measurement, pro po sed a kind o f acceler ometer measur ement desig n method. A dding temperature sensor to com pensat e t emperat ur e, the applied temperature rang could be w ider . Detectio n cir cuit suiting this kind of sensor and the sy stem co mpo sitio n o f acceler ometer measurement was also g iv en in the paper. T his desig n metho d w as ac curate w ith hig h v alue for application and ext ensio n. A lso the st ruct ur e w as simple, the pr ice was lo wer and the per fo rmance w as stable. Key words: piezoelect ric accelero meter senso r; measurement; design
第2期
邢丽娟等: 压电加速度测量系统的设计
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输出。
图 3 压电加速度测量系统结构框图
由于压电陶瓷的压电特性易受温度影响, 热胀 冷缩造成的机械形变也会对输出产生影响, 而普通 的压电加速度传感器都不具备补偿功能, 直接将其 应用, 可靠性不好。环境温度对传感器的影响主要 有压电材料的特性参数、压电材料的热释电效应和 传感器结构 3 个因素。环境温度变化会使压电材料 的压电常数 dn、介电常数 、电阻率 和弹性系数 k 等机电特性参数发生变化。d n和 k 的变化将影响传 感器的输出灵敏度; 和 的变化会导致时间常数 = RC 的变化, 从而使传感器的低频响应变化。
[ 3] 李智慧, 姜印平, 邵 磊. 新型 压电加 速度 传感器 [ J] . 传感技术学报, 2003, 3( 3) : 345 347.
根据测量电荷量就可得到加速度。
2 测量电路
由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可
看作一个电荷发生器。同时, 它也是一个电容器, 晶 体上聚集正负电荷的两表面相 当于电容的两 个极
板, 极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为
Ca=
r 0A d
( 8)
式中 A 为晶片电极面面积; r 为压电材料的相对 介电常数; 0 为真空介电常数。
参考文献:
[ 1] 刘玲玲, 田文杰, 张福 学. 压 电石英 加速 度传感 器稳 定 性研究[ J] . 压电与声光, 2007, 29( 1) : 45 46.
[ 2] 查万纪, 葛立 峰. 基于 T L 081 的 电荷 信号 适调 电路 的 研究[ J] . 微机发展, 2005, 4( 4) : 69 71.
( 9)
式中 CF 为反馈电容。将 Uo = - A K Ui 代入式( 9) 得
Uo=
( Ca+
Cc+
A KQ Ci) +
( 1+
A )CF
( 10)
若放大器开环增益足够大, 满足( 1+ A K ) CF
Ca + Cc+ Ci 时, 式( 10) 可表示为
Uo =
-
Q CF
( 11)