【正文】 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 由上面的靈敏度公式可見 ,在低頻時(shí)靈敏度是一常數(shù) ,它和壓電常數(shù)成正比 ,和質(zhì)量塊的質(zhì)量成正比 。 在較高的頻率下該公式不適用 ,特別到傳感器的固有共振頻率附近 ,靈敏度急劇變化 (增大 ),該公式一般在傳感器固有共振頻率的 1/2~1/5以下使用 。 可以近似地把質(zhì)量塊看成一個(gè)純質(zhì)量 (忽略其彈性 ),晶片看成一純彈性元件 (忽略其質(zhì)量 )來計(jì)算傳感器的固有頻率 。 如將晶片看成一彈簧 ,則由定義可求出其勁度系數(shù)為 ? 式中 ,E為壓電晶片的楊氏模量 。 則固有頻率 33A E AkS l l??12nkfM??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 18 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu) ? 圖 (a)為常用的壓縮式壓電加速度傳感器 。 這是目前最常見的一種 。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,裝配較為方便 。 為便于裝配和增大電容量常用兩片極化方向相反的晶片 ,電學(xué)上并聯(lián)輸出 。 采用石英晶片時(shí)也有采用四片晶片并聯(lián)的方式 。 圖 壓電加速度傳感器的幾種結(jié)構(gòu) 支座 質(zhì) 量 塊壓 電 元 件輸 出 引 線( c )壓 電 元 件安 裝 螺 釘固 緊 螺 母質(zhì) 量 塊輸 出 引 線( a )壓 電 元 件質(zhì) 量 塊安 裝 螺 釘輸 出 引 線( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 19 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 四川綿陽科學(xué)城金橋傳感器廠生產(chǎn)的壓電加速度傳感器產(chǎn)品系列 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 20 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 四川綿陽科學(xué)城金橋傳感器廠生產(chǎn)的微型三軸向壓電加速度傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 21 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 中南大學(xué)電子設(shè)備廠生產(chǎn)的 YD1系列壓電壓力傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 22 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 振動(dòng)沖擊加速度傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 23 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 壓電片 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 24 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 圖 (b)是剪切式壓電加速度傳感器 ,采用剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換 。 管式壓電元件 (極化方向平行于軸線 ,電極面在內(nèi)外圓柱面上 )緊套在金屬圓柱上 ,在壓電元件外徑上再套上慣性質(zhì)量塊 ,相互之間用導(dǎo)電膠粘結(jié) 。 工作原理是 :如傳感器感受向上的運(yùn)動(dòng) ,金屬圓柱向上運(yùn)動(dòng) ,由于慣性質(zhì)量環(huán)保持滯后 ,這樣壓電元件就受剪切應(yīng)力作用 ,從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷 。如果傳感器感受向下的運(yùn)動(dòng) ,則壓電元件內(nèi)外表面上的電荷極性相反 。 這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度高 ,橫向靈敏度小 ,而且能減小基座應(yīng)變的影響 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 25 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 剪切式壓電傳感器容易小型化 ,有很高的固有頻率 ,所以頻響范圍寬 ,適于測(cè)量高頻振動(dòng) 。 但是 ,由于壓電元件 、 金屬圓柱以及慣性質(zhì)量環(huán)之間粘結(jié)較難 ,裝配成功率較低 。 ? 圖 (c)為彎曲式壓電加速度傳感器 。 壓電晶片粘貼在懸臂梁的側(cè)面 ,懸臂梁的自由端裝配質(zhì)量塊 ,固定端與基座連接 。 振動(dòng)時(shí) ,懸臂梁彎曲 ,側(cè)面受到拉伸壓縮 ,使壓電元件發(fā)生形變 ,從而輸出電信號(hào) 。 也可用圓板代替懸臂梁 ,在圓周裝配質(zhì)量塊 ,在圓板表面上安裝壓電元件 。 彎曲式壓電加速度傳感器固有共振頻率低 ,靈敏度高 ,適用于低頻測(cè)量 。 缺點(diǎn)是體積大 ,機(jī)械強(qiáng)度較前兩種差 。 ? 采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選用不同性能的壓電材料 ,可以得到滿足各種使用要求的壓電加速度傳感器。表 基本結(jié)構(gòu)的加速度傳感器的一般性能 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 26 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 表 加速度傳感器的一般性能 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 27 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 計(jì)算舉例 :一 96%鈦酸鋇 ,4%鈦酸鉛的混合壓電陶瓷作壓電元件的加速度計(jì) ,結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示 。 參數(shù)如下 : 3411 2393311332 10 5 10 3 10 / 10 5 10 / 2 10 / 0 /TD mm ml mm mE N mM g k gFmd C Ng m s??????? ? ?? ? ???? ? ??????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 28 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 經(jīng)計(jì)算得固有頻率為 20400042n DEf H zml???靜電容量 233333233500244 1 0 /Taag TDCFld M g lU V gD????????? ? ?電壓靈敏度 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 29 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 一種壓電加速度傳感器的外形 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 30 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電傳感器的等效電路 ? 壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件 。 當(dāng)它受到外力作用時(shí) ,就會(huì)在電極上產(chǎn)生電荷 ,因此 ,可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器 ,等效電路如圖 (a)所示 。 由于電容上的 (開路 )電壓 dqUC? 因此壓電式傳感器也可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè) 電容串聯(lián)的電壓源 ,等效電路如圖 (b)所示 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 31 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 壓電加速度傳感器的等效電路 (a)等效電荷源 。 (b)等效電壓源 ＋－CdCdU U ＝qCd( a ) ( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 32 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 當(dāng)壓電式傳感器與測(cè)量電路配合使用時(shí) ,方塊圖如圖 。 這樣在等效電路中就必須將前置放大器的輸入電阻 Ri、 輸入電容 Ci,以及低噪聲電纜的電容 Cc包括進(jìn)去 。 因此 ,當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻 Rd以后 ,完整的等效電路可表示成如圖 (a)和電壓等效電路 (b)。 這兩種等效電路是完全等效的 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 33 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 測(cè)量電路方塊圖 前置放 大 器測(cè) 量 儀 表壓 電 式傳 感 器? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 34 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 完整的等效電路 (a)電荷等效電路 。 (b)電壓等效電路 ＋－CdRdCcRiCiCdRdCcRiCiUq( a ) ( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 35 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電傳感器的測(cè)量電路 ? 1. 電壓放大器 壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)靜電荷發(fā)生器或電容器 ,為了盡可能保持壓電傳感器的輸出電壓（或電荷）不變 ,要求電壓放大器應(yīng)具有很高的輸入阻抗（大于1000MΩ）和很低的輸出阻抗（小于 100Ω）。 ? 壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路如圖 。圖 （ b）為圖 (a)的簡(jiǎn)化電路。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 36 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 37 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 假設(shè)給石英晶體壓電元件沿著電軸作用的交變力為 F=Fm sinωt,則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值為 ? ? dmddd CtFdCFdCqU?s i n1111???? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 38 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 而送到放大器輸入端的電壓為 Usr,表示成復(fù)數(shù)形式為 )(1//)//(1)//(//1111CCRjRjFdZRZcRZCFdZRZZRUUdCCddCCdCssr??????????????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 39 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 于是前置放大器的輸入電壓的幅值 Usrm為 2211)()(1 icdms r mCCCRRFdU??????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ?