压电式传感器加速度测量研讨.pptVIP

本章内容 5.1 压电效应与压电方程 5.2 压电材料及其主要特性 5.3 压电元件的常用结构形式 5.4 压电式传感器的等效电路与测量电路 5.5 加速度测量基本知识 5.6 压电式加速度传感器设计 5.7 其它加速度传感器 由于σx=σy=σz=σ ，且d31=d32 ， 所以： qx=(2d31+d33)σ 1—加速度测试单元；2—信号处理电路； 3—衬底； 4—底层多晶硅（下电极）；5—多晶硅悬臂梁 ；6—顶层多晶硅（上电极） 加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时， 微处理器据此判断发生了碰 撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。 1.压缩式 常见的压电式加速度传感器的结构一般是利用压电陶瓷的纵向 效应，图示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受振动时，因 质量块的质量m相对被测物体的质量M小得多，因此传感器的质量m感受到与传感器基座M相同的振动，并受到与加速度a方向相反的惯性力，此力为F=ma。惯性力作用在压电陶瓷上产生的电荷： Q=d33.F=d33×m×a 当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。 压缩式的压电式加速度传感器的其它结构 (a)中央安装压缩式 (b)隔离基座压缩式 (c)隔离预载筒压缩式 (d) 倒挂中心压缩型 2.剪切型 与压缩式加速度传感器相比，剪切式加速度传感器是一种很有发展前途的传感器，并有替代压缩式的趋势。 (a) 环形剪切式结构 (b) 扁环形剪切式结构 (c) H形剪切式结构 (d) 三角形剪切式结构 5.6.2 压电加速度传感器的动态特性 加速度传感器系统模型 质量块的动力学方程为 式中x为振动时质量块相对振动体的位移。 得幅频特性函数： 其中,K为传感器静态灵敏度： 则 ——固有频率； ——阻尼比； 由于质量块相对振动体的位移x是压电元件受惯性力F作用后产生的变形，在其线性弹性范围内有F=kx。由此产生的压电效应 则得压电加速度传感器的电荷灵敏度幅频特性为 式中， 当时 ， ，压电加速度传感器输出为线性，其灵敏度不随ω变化。这时，传感器本身的灵敏度近似为常数，为 在应用中，由于压电加速度传感器的阻尼很小，(一般 )，当 时，动态误差可低于1dB；若取 ，动态误差可低于0.5 dB ，因此，压电加速度传感器的上限工作频率为 。 压电加速度传感器的下限测量频率取决于采用什么样的测量系统。 接入电荷前置放大器电路 一般电荷放大器的开环放大倍数很大，且 足够大，放大器输出电压为 ，则接入电荷放大器后压电传感器的灵敏度为 在与电荷前置放大器配合使用时，传感器的低频响应受电荷放大器的3dB下限截止频率的限制。而一般电荷放大器的fL可低至10-2Hz数量级，因此测量系统具有很好的低频响应特性，可以测量接近静态变化非常缓慢的物理量。 接入电压前置放大器电路 带电压前置放大器的压电加速度传感器的幅频特性为 式中， 为由电压放大器回路固有角频率 决定的幅频特性。 电压放大器测量系统的相对频率特性曲线 当 和 时，传感器的灵敏度为常数: 压电加速度传感器的安装及使用 a)双头螺丝固定 b)磁铁吸附 c)胶水粘结 d)手持探针式 1—压电式加速度传感器；2—双头螺栓；3—磁钢；4—粘接剂；5—顶针 5.7其它加速度传感器 5.7.1 电阻应变/压阻式加速度传感器 5.7.2 电容式加速度传感器 图示电容加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.7～5.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。 高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） （4）压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用Zn