基于壓電傳感器振動(dòng)測(cè)量與信號(hào)調(diào)理電路(編輯修改稿)
2025-07-16 16:11 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。綜合資源的考慮以及上面所述壓電式傳感器因?yàn)榫哂袦y(cè)量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對(duì)被測(cè)件的影響小以及安裝使用方便，所以我們選擇了壓電傳感器。壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料 它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、鍺酸鉍等。壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。在工程振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中，測(cè)試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測(cè)量方法及測(cè)量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號(hào)，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測(cè)量、記錄，常用的儀器有杠桿式測(cè)振儀和蓋格爾測(cè)振儀，它能測(cè)量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)較為簡(jiǎn)單方便。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測(cè)振儀等。將工程振動(dòng)的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測(cè)法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢(shì)、電荷、及其它電量），然后再對(duì)電量進(jìn)行測(cè)量，從而得到所要測(cè)量的機(jī)械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測(cè)量方法。上述三種測(cè)量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測(cè)量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測(cè)量放大線路和顯示記錄三個(gè)環(huán)節(jié)。把被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)，完成這項(xiàng)轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。測(cè)量線路的種類甚多，它們都是針對(duì)各種傳感器的變換原理而設(shè)計(jì)的。比如，專配壓電式傳感器的測(cè)量線路有電壓放大器、電荷放大器等；此外，還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。、記錄環(huán)節(jié)。從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時(shí)記錄在磁帶上，然后再輸入到信號(hào)分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。綜上資料所述，我們得出下面系統(tǒng)方案；由一個(gè)機(jī)械震動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)源帶動(dòng)壓電加速度傳感器振動(dòng)，壓電加速度傳感器受震動(dòng)后輸出的電荷會(huì)變化，但輸出電荷變化太小，于是接入電荷放大器放大再通過低通濾波器進(jìn)行濾波后接入雙蹤示波器進(jìn)行觀測(cè)。二、理論分析壓電式傳感器是一個(gè)典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換機(jī)理實(shí)現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。、壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常見的壓電材料有兩類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電材料受到外力作用時(shí)，在發(fā)生變形的同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變，如圖1 (a) 、(b) 、(c)所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。(a) (b) (c)圖1 壓電效應(yīng)、壓電晶片及其等效電路多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個(gè)工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個(gè)電極，如圖2(a)所示。當(dāng)壓電晶片受到力的作用時(shí)，便有電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負(fù)電荷。這種情況和電容器十分相似，所不同的是晶片表面上的電荷會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸漏掉，因?yàn)閴弘娋牧系慕^緣電阻(也稱漏電阻)雖然很大，但畢竟不是無窮大，從信號(hào)變換角度來看，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個(gè)電容器。因此通常將壓電元件等效為一個(gè)電荷源與電容相并聯(lián)的電路如圖2(b)所示。其中ea=Q/Ca式中，ea為壓電晶片受力后所呈現(xiàn)的電壓，也稱為極板上的開路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。實(shí)際的壓電傳感器中，往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時(shí)如圖2(c)所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負(fù)電極在兩側(cè)的電極上，因而電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，宜于測(cè)量緩變信號(hào)并以電荷量作為輸出。(a) 壓電晶片1
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