[工學(xué)]第7章壓電式傳感器(參考版)
2025-02-19 23:55本頁面
【正文】 。 目前普遍采用的美國陸軍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的火炮膛壓測(cè)量 ， 使用的就是壓電式壓力傳感器 。 壓電式壓力傳感器在軍事工業(yè)上的應(yīng)用范圍也很廣 。 因此廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的氣缸 、 油管 、 進(jìn)排氣管的壓力測(cè)量 。 壓電式壓力傳感器的應(yīng)用 壓電式壓力傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍很寬 ， 頻響特性好 ，能測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)的壓力和高頻變化的動(dòng)態(tài)壓力 。 為消除預(yù)加載時(shí)引起膜片變形 ， 采用了預(yù)緊筒加載結(jié)構(gòu) ， 預(yù)緊筒是一個(gè)薄壁厚底的金屬圓筒 ， 通過拉緊預(yù)緊筒對(duì)石英晶片組施加預(yù)壓緊力 ， 并在加載狀態(tài)下用電子束將預(yù)緊筒與芯體焊成一體 。缺點(diǎn)是壓電晶片的預(yù)壓緊力是通過外殼與芯體間螺紋連接擰緊芯體施加的，將使膜片產(chǎn)生彎曲，造成線性與動(dòng)態(tài)特性變差；還直接影響各組件間接觸剛度，改變傳感器固有頻率。 （ c ）（ a ） （ b ） 絕緣套 后座 （芯體） 外殼 墊圈 石英晶片 導(dǎo)電片 石英晶片 傳力塊 膜片 p 預(yù)緊筒殼體絕緣套導(dǎo)線柱芯體絕緣套電極晶片組膜片 （ b ） （ a ） 膜片型的壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，輕便全密封，端（膜片及傳力塊）動(dòng)態(tài)質(zhì)量小，具有較高的諧振頻率。 壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 常用的壓電式壓力傳感器是膜片型結(jié)構(gòu)，膜片可采用圖所示結(jié)構(gòu)。因此，一般采用多片壓電元件疊加在一起，按電容的串聯(lián)和并聯(lián)連接方式來提高傳感器的靈敏度。此外也可以加大壓電元件的受力面積，增加電荷量的辦法來提高靈敏度。 由上式可知，輸出 電荷量與輸入壓力成正比 關(guān)系，一般壓電式壓力傳 感器的線性較好 pSF ?ijp S dq ? 引線插針絕緣體殼體壓電元件 膜片絕緣體 p 靈敏系數(shù) 壓電式壓力傳感器的靈敏系數(shù)是指其輸出電荷量（電荷或電壓）與輸入量（壓力）的比值，也可以分別用電荷靈敏系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)來表示。 還有如車輛道路模擬實(shí)驗(yàn) ， 火車環(huán)境振動(dòng)測(cè)量分析 ， 人體的動(dòng)態(tài)特性研究等很多方面 ， 壓電式加速度傳感器都有著廣泛的應(yīng)用 。 例如 ， 機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng) ， 不僅會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度和被加工零件的質(zhì)量 ， 而且還要降低生產(chǎn)效率和刀具的耐用度 ， 振動(dòng)劇烈時(shí)還會(huì)降低機(jī)床的使用性能 。 3． 沖擊和振動(dòng)測(cè)試 沖擊和振動(dòng)是自然界和生產(chǎn)過程中普遍存在的現(xiàn)象 ， 幾乎每一種機(jī)械設(shè)備和建筑都存在振動(dòng)問題 。采用壓電式加速度傳感器測(cè)量 ， 它不僅耐高溫 、 而且體積小 ，能安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承機(jī)匣上 ， 能相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)的最大振動(dòng) 。 2． 中高溫環(huán)境下的振動(dòng)測(cè)試 隨著耐高溫的壓電材料的研制成功 ， 現(xiàn)在已研制出在400℃ ， 甚至高達(dá) 700℃ 的中高溫環(huán)境下應(yīng)用的壓電式傳感器 。早期采用的電動(dòng)式加速度傳感器，因其自身較重，給測(cè)量帶來較大的誤差。 它是測(cè)量振動(dòng)和沖擊的一種理想傳感器 。 尤其是配用電荷放大器 ， 時(shí)間常數(shù) ? 長(zhǎng)達(dá)105s， 可用來測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)量 。 所以壓電式傳感器的高頻響應(yīng)特性特別好 ， 頻響范圍寬 。 xKdFdq ijij Y??Y1Kdaqaxij??? ?? ? ? ? 2022020Y/2/1/????????? Kdaq ij其頻率響應(yīng)特性曲線如圖所示 ? = 1 0521 0 . 4 0 . 7 0 70 . 50 . 3 0 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 8 1 . 0 1 . 5 2 3? ???相對(duì)靈敏度 ijYdKaq20?? 0 . 9 0 . 8 0 . 5 0 . 1 0 . 3 0 . 2 0 . 6 0 . 7 0 . 4 1 . 0 1 . 5 2 . 0 當(dāng) ω/ω0相當(dāng)小時(shí)，式可寫成如下形式 20Y?ijdKaq ? 可見 ， 當(dāng)傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于振動(dòng)體的工作頻率時(shí) ， 傳感器的電荷靈敏系數(shù)近似為一常數(shù) ， 基本不隨工作頻率變化 ， 此為傳感器的理想工作頻率 。 makxtxct xm ???? dddd 22 二階質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式 : 振動(dòng)加速度引起質(zhì)量塊位移的幅值為 質(zhì)量塊的位移滯后于加速度的相位角為 20220202111?????????????????????????????????ax? ? 200/1/2a r c t g????????? 由于相對(duì)位移 x就是壓電元件的變形量，在彈性范圍內(nèi)，如果作用在壓電元件上的慣性力為 F，壓電元件本身的剛度系數(shù)為 KY，則有F = KYx。其數(shù)學(xué)模型為 殼體 彈簧 質(zhì)量塊 壓電片輸出端 x y
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