基于壓電傳感器振動測量與信號調(diào)理電路(編輯修改稿)
2024-07-16 16:11 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ，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為具有測量頻率范圍寬、量程大、體積小、重量輕、對被測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，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(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)用于動態(tài)測量，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，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。 壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。在工程振動測試領(lǐng)域中，測試手段與方法多種多樣，但是按各種參數(shù)的測量方法及測量過程的物理性質(zhì)來分，可以分成三類。將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機械信號，再經(jīng)機械系統(tǒng)放大后，進行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，它能測量的頻率較低，精度也較差。但在現(xiàn)場測試時較為簡單方便。將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯示和記錄。如讀數(shù)顯微鏡和激光測振儀等。將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄。電測法的要點在于先將機械振動量轉(zhuǎn)換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前應(yīng)用得最廣泛的測量方法。上述三種測量方法的物理性質(zhì)雖然各不相同，但是，組成的測量系統(tǒng)基本相同，它們都包含拾振、測量放大線路和顯示記錄三個環(huán)節(jié)。把被測的機械振動量轉(zhuǎn)換為機械的、光學(xué)的或電的信號，完成這項轉(zhuǎn)換工作的器件叫傳感器。測量線路的種類甚多，它們都是針對各種傳感器的變換原理而設(shè)計的。比如，專配壓電式傳感器的測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)。從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）、記錄設(shè)備（如光線示波器、磁帶記錄儀、X—Y 記錄儀等）等。也可在必要時記錄在磁帶上，然后再輸入到信號分析儀進行各種分析處理，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；由一個機械震動臺產(chǎn)生振動源帶動壓電加速度傳感器振動，壓電加速度傳感器受震動后輸出的電荷會變化，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行濾波后接入雙蹤示波器進行觀測。二、理論分析壓電式傳感器是一個典型的發(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)換機理實現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，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，在發(fā)生變形的同時內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷。當外力去掉時，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，當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工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個電極，如圖2(a)所示。當壓電晶片受到力的作用時，便有電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負電荷。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隨著時間的推移逐漸漏掉，因為壓電晶片材料的絕緣電阻(也稱漏電阻)雖然很大，但畢竟不是無窮大，從信號變換角度來看，壓電元件相當于一個電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個電容器。因此通常將壓電元件等效為一個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。實際的壓電傳感器中，往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進行并聯(lián)或串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時如圖2(c)所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負電極在兩側(cè)的電極上，因而電容量大，輸出電荷量大，時間常數(shù)大，宜于測量緩變信號并以電荷量作為輸出。(a) 壓電晶片1
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