（检测技术与自动化装置专业论文）压电加速度传感器测量电路的研制.pdf

中文摘要 压电加速度传感器测量电路的研制 中文摘要 压电加速度传感器是振动与冲击测量的核心部件，在现代工业和自动化生产 过程中具有非常重要的作用，特别是在精度、长时间稳定性等方面具有独到之处。 压电加速度传感器可以看作是能产生电荷的高内阻发电元件，其产生的电荷量很 小，而一般的测量电路的输入阻抗较小，压电片上的电荷通过测量电路时会被输 入电阻迅速泄漏而引入测量误差。因此压电加速度传感器要有与之配套的测量电 路一起使用，否则其使用就要受到很大的限制。 电荷放大器是目前最常用的压电加速度传感器的测量电路，它能得到与输入 电荷成比例的电压输出，其特点之一就是传感器的灵敏度与电缆长度无关。本文 提出了一种用集成芯片来取代大量分离元件的电荷放大器的设计方法，所设计的 电荷放大器由电荷转换级、归一化放大级、高低通滤波级、输出级、稳压电源和 过载指示级等六个部分组成。并在电荷转换部分的灵敏电容的切换和输出放大级 的增益切换电路中提出一种程控方法解决的方案，并进行了详细的理论分析，从 而解决了手动调节容易给系统带来误差和干扰的问题。同时本文对电路系统中存 在的干扰信号及引入的误差作了细致的理论分析，并采取了相关的办法进行解 决。最后，和标准的电荷放大器的性能进行对比，验证了本设计的可行性。 作者完成的主要工作包括：( 1 ) 通过对压电加速度传感器的测量电路的各种 实现方案的深入调研，提出了一种用集成芯片取代大量分离元件的电荷放大器的 实现方案；( 2 ) 制作了完整的电路板；( 3 ) 在电荷转换部分的灵敏电容的切换和 输出放大级的增益切换电路的实现上提出了程控的方案；( 4 ) 进行了实验验证， 给出了实验结果；( 5 ) 在实验结果的基础上，结合电荷放大器原理对系统作了误 差分析。 关键词：压电加速度传感器，测量电路，电荷放大器，程控 英文摘要 t h e d e v e l o po f m e a s u r e m e n tc i r c u i tf o r t h ep i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e r p i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e ri sa tt h ev e r yc o r eo ft h em e a s u r e m e n ti n t h e v i b r a t i o na n ds t r i k e ，a n di ti sv e r yi m p o r t a n ti nm o d e mi n d u s t r ya n da u t o m a t i c p r o d u c t i o n e s p e c i a l l yi np r e c i s i o n , l o n g - t i m es t a b i l i t yi th a sv e r yf i n eq u a l i t y p i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e rc a nb er e g a r d e da st h ec o m p o n e n tt h a tc a np r o d u c ec h a r g e w i t ht h eh i g hi m p e d a n c e b u tt h i sc h a r g ea m o u n ti sv e r ys m a l l , a n dt h ei n p u t i m p e d a n c eo fg e n e r a lm e a s u r e m e n tc i r c u i t i s a l w a y ss m a l l ，t h ec h a r g e o ft h e p i e z o e l e c t r i c i t ys l i c ew o u l db el e a k e de a s i l yt h r o u g ht h i sm e a s u r e m e n tc i r c u i t , a n di t c a nb r i n gi ni n a c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t s ot h ep i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e rh a s b e e nm a t c h e dw i t hi t sr c l a t e dm e a s u r e m e n tc i r c u i t o fe l s et h ew i d ea p p l i c a t i o nh a s b e e ng r e a t l yr e s t r i c t e d a t p r e s e n t ，m o s tp o p u l a r m e a s u r e m e n tc i r c u i tu s e df o rp i e z o e l e c t r i c a c c e l e r o m e t e ri s c h a r g ea m p l i f i e r i tc a ng e tak i n do fv o l t a g eo u t p u tw h i c hi s p r o p o r t i o n a lt ot h ei n p u tc h a r g e o n eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c si st om a k et h es e n s i t i v i t yo f t h es e n s o rh a v en o t h i n gt od ow i t ht h el e n g t ho ft h ec a b l e ad e s i g no fc h a r g e a m p l i f i e rw h i c hu s e di n t e g r a t e dc h i pr e p l a c eal a r g en u m b e ro fl e a v ec o m p o n e n t sh a s b e e nd e v e l o p e di nt h ep a p e r i tc o n t a i n ss i xp a r t so fc h a r g ec o n v e r t ，n o r m a l i z a t i o n m a g n i f y , h i g ha n dl o wp a s sf i l t e r , o u t p u ta m p l i f i e rs t a g e ，s t a b i l i z e dv o l t a g ep o w e r s u p p l ya n do v e r l o a di n d i c a t o r i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo fa l l o ra n di n t e r f e r et o t h es y s t e mb ym a n u a lr e g u l a t i o n ，ap r o g r a m m e - c o n t r o l l e ds c h e m ei ns e n s i t i v i t y t h r o w - o v e ro fc h a r g ec o n v e r ta n dg a i nt h r o w - o v e ro fo u t p u ta m p l i f i e rh a sb e e n p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l ea n a l y s i so fe r r o ra n du n d e s i r e ds i g n a lh a sb e e n d o n ea tg r e a tl e n g t h , a n dr e l e v a n tw a yt os o l v ei th a sb e e na d o p t e di nt h ep a p e r , t o o f i n a l l yt h es y s t e mi sc o n t r a s t e dw i mt h es t a n d a r dc h a r g ea m p l i f i e r , t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ti n d i c a t e dt h a ti ti sf e a s i b l et oo r i g i n a ld e s i g n m a i nw o r k so ft h ea u t h o r ：( 1 ) h a sd e v e l o p e dad e s i g no fc h a r g ea m p l i f i e rw h i c h u s i n g ak i n do fi n t e g r a t e dc h i pr e p l a c eal a r g en u m b e ro fl e a v ec o m p o n e n t s t h o u g ha l l t h er e a l i z e dp r o p o s a lo fm e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rt h ep i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e r ；( 2 ) h a sm a d et h ec i r c u i tb o a r d ；( 3 ) h a sp r o p o s e da p r o g r a m m e - c o n t r o l l e ds c h e m ei nt h e 英文摘要 s e n s i t i v i t yt h r o w - o v e ro fc h a r g ec o n v e r ta n dg a i nt h r o w - o v e ro fo u t p u ta m p l i f i e r ；( 4 ) h a sd o n et h ee x p e r i m e n t ，g i v et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ；( 5 ) h a sd o n et h ee r r o ra n a l y s i s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dt h ep r i n c i p l eo ft h ec h a r g ea m p l i f i e r k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i ca e c e l e r o m e t e r , m e a s u r e m e n tc i r c u i t ，c h a r g ea m p l i f i e r , p r o g r a m m e c o n t r o l l e d 图表清单 插图清单 图1 1测试系统的组成框图( 3 ) 图1 2压电加速度传感器动态测量系统( 4 ) 图2 1晶体的压电效应( 7 ) 图2 - 2 压电陶瓷的压电效应( 7 ) 图2 3 压电加速度传感器工作原理示意图( 8 ) 图2 4作用于压电元件两边的力示意图( 9 ) 图2 5压电加速度传感器二阶力学系统示意图( 1 0 ) 图2 - 6 压电加速度传感器的等效电路( 1 3 ) 图2 - 7 压电加速度传感器测试系统的等效电路( 1 3 ) 图2 8 压电加速度传感器的典型结构( 1 4 ) 图3 1 静电泄漏对压电加速度传感器输出电压的影响( 1 5 ) 图3 2 简化后的压电加速度传感器的电压等效电路( 1 8 ) 图3 - 3 电荷转换基本原理图( 2 0 ) 图3 4 电荷放大器等效电路( 2 1 ) 图3 5 “力一电”型电荷放大器组成框图( 2 4 ) 图3 6 非“力一电”型电荷放大器组成框图( 2 4 ) 图3 7 积分电路? ：一( 2 5 ) 图3 8 电荷放大器框图( 2 5 ) 图3 9 输入电缆影响的等效电路( 2 8 ) 图禾1电荷放大器输入电阻与反馈电阻示意图( 3 0 ) 图4 - 2t l 0 8 1 芯片引脚图( 3 1 ) 图4 3反馈网络示意图( 3 1 ) 图4 _ 4 干扰源等效电路图( 3 2 ) 图4 - 5电荷转换级的实际电路图( 3 3 ) 图4 6 程控电荷转换级原理( 1 ) ( 3 4 ) 图4 7 程控电荷转换级原理的等效电路( 3 4 ) 图4 8程控电荷转换级原理( 2 ) ( 3 5 ) 图表清单 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 - 1 3 图4 - 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图禾2 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 程控电荷转换级原理的等效电路( 2 ) ( 3 5 ) 反相放大电路( 3 7 ) t 型放大电路o oo o o ( 3 7 ) 同相放大电路( 3 8 ) 差动放大电路( 3 8 ) 归一化放大级的实际电路图( 3 9 ) 二阶有源低通滤波器原理图( 加) 二阶无源低通滤波器原理图( 4 0 ) 二阶有源低通滤波器电流回路图( 4 1 ) 滤波级的实际电路图( 4 3 ) 输出级的实际电路图( 4 4 ) 单模拟开关程控放大级原理图( 4 4 ) 双模拟开关程控放大级原理图( 4 5 ) 一“大”一“小”电容滤波示意图( 4 5 ) 三端集成稳压器连接电路( 4 6 ) 稳压电源实际电路图( 4 7 ) 过载指示级的实际电路图( 4 8 ) 本设计电荷放大器的实物图( 4 9 ) 测量电容的交流电桥( 5 1 ) a 类电荷放大器等效下限频率的检定原理图( 5 2 ) 实验装置框图( 5 3 ) r f = 1 0 g ，f = 1 0 h z 时，本设计的输出波形( 5 4 ) r f = 1 0 g ，f - - - s h z 时，本设计的输出波形( 5 4 ) r f = 1 0 g ，f = i h z 时，本设计的输出波形( 5 4 ) r f = 1 0 t ，f = 1 0 h z 时，本设计的输出波形( 5 5 ) r f = 1 0 t ，f - - - 5 i - l z 时，本设计的输出波形( 5 5 ) r f = 1 0 r ，f = l l - l z 时，本设计的输出波形( 5 5 ) r f = 1 0 0 t ，f = 1 0 h z 时，本设计的输出波形( 5 6 ) r f = 1 0 0 t ，f = 5 h z 时，本设计的输出波形( 5 6 ) r f = 1 0 0 t ，f = l h z 时，本设计的输出波形( 5 6 ) 图表清单 未加高低通滤波时本设计的信号频谱( 5 7 ) 加1 k h z 有源低通滤波器后本设计的信号频谱( 5 8 ) 未加高通滤波时本设计的输出信号( 5 8 ) 加1 h z 高通滤波器后本设计的输出信号( 5 9 ) 本设计电荷放大器与标准电荷放大器的对比输出信号( 5 9 ) 图5 1 7 中标准电荷放大器输出信号的频谱( 6 0 ) 图5 一1 7 中本设计电荷放大器输出信号的频谱( 6 0 ) 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 l 孓 孓 孓 孓 孓 孓 孓图图图图图图图 图表清单 表格清单 表5 1 在不同加速度下本设计和标准电荷放大器的输出电压值比较( 6 1 ) 表5 2 在不同频率下本设计和标准电荷放大器的灵敏度比值( 6 2 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得新铀本争或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：前支钮扔 签字日期： 加7 年中月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：触钇扔 签字日期：加7 年甲月纡日 学位论文作者毕业去向：南屯芝 工作单位：宝俘k 财 l 太孕 通讯地址： 导师签名 签字日期：y * 电话 邮编 对 1 年厂月；、日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 传感器技术的地位与作用 传感器技术、通信技术、计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别 是智能系统的“感观”、“神经”、和“大脑”【1 1 。因此，传感器技术是信息技术 的重要基础技术，传感器是系统获取信息的首要部件。鉴于传感器的重要性，在 2 0 世纪8 0 年代，发达国家对传感器在信息社会中的作用就有了新的认识和评价， 如美国把2 0 世纪8 0 年代看作传感器时代，把传感器技术列为2 0 世纪9 0 年代 2 2 项关键技术之一；日本曾把传感器列为1 0 大技术之首；我国的“8 6 3 ”计划， 科技攻关等计划中也把传感器研究放在重要的位置。传感器也是测控系统获得信 息的重要环节，在很大程度上影响和决定了系统的功能。不仅工程技术领域如此， 就是在基础科学研究中，由于新机理和高灵敏度检测传感器的出现，也会导致该 领域新的突破。所以国外一些著名专家评论说：“征服了传感器就等于征服了科 学技术”；“如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术就不 可能发展”；“惟有模仿计算机和传感器的协调发展，才能决定技术的将来”【2 】。 1 2 压电加速度传感器的应用及研究现状 随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已经越来越 广泛地应用于航空、航天、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、 轻工、生物医学工程、自动检测与计量等各种技术领域中，而且也正在逐步引入 人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是科学技术现代 化程度的重要标志，科学技术上很多新的发现和突破，都是以实验测试为基础的。 现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的 动态测试问题【3 】。所谓动态测试指的是量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确 定，也就是被测量为变量的连续测量过程。自1 9 7 6 年动态测试问题被列入第七 届国际计量技术联合会大会的议程以来，动态测试受到各国的重视，取得了很大 的进展，已经成为计量学的一个独立分支。它以动态信号为特征，研究了测试系 统的动态特性问题，研究了测试系统的动态校准理论与技术问题，从而使计量单 】 压电加速度传感器测量电路的研制 位量值能够向动态测试系统传递。过去三十年来，不论国际还是国内，振动、冲 击、噪声工程都获得了突飞猛进的发展，动态测试技术r 新月异，其中冲击和振 动的精确测量技术显得尤其重要i s j 。 振动与冲击测量的核心部件是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见 的是用压电加速度传感器( 又称压电加速度计或压电加速度表) 。压电加速度传 感器的发明，使振动与冲击的测量逐渐在工业界获得了广泛应用【们。压电加速度 传感器是一种高度发展了的仪器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动 基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。由此可见，质量优良的压电 加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。最早的加速度传 感器于1 9 3 8 年在电阻应变计发明不久后研制成功，并于1 9 4 0 年开始在航空和土 木等工程中获得应用。压电加速度计优点很多，如压电晶体弹性模量大，能自主 产生动态范围广阔的电信号，而且谐振频率高、使用频带宽、灵敏度高、信噪比 高、体积小、重量轻、安装简单、结构简单、工作可靠、适用于各种恶劣环境等 优点，现在已经广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击 测试、信号分析、振动校准、机械动态实验等领域中，特别是在航空和宇航领域 中更是有它的特殊地位。压电加速度计于4 0 年代末5 0 年代初开始大规模生产， 并广泛应用于各个工业领域，很快成为振动、冲击测量中的主角。最早和目前主 要的振动、冲击传感器生产厂家有：丹麦的b & k ( 1 9 4 3 年) 、瑞士的k i s t l e r ( 1 9 4 4 年，并于1 9 5 4 年在美国设分厂) ，美国的e n d e v c o ( 1 9 4 7 年) 、w i l c o x ( 1 9 6 0 年) 和p c b ( 1 9 6 7 年) ，在我国则有扬州无线电厂( 现为江苏联能电子技术有限公司) ， 北京测振仪器厂，北戴河无线电厂( 2 0 世纪7 0 8 0 年代) 等。 近年来，压电加速度传感器的工作模式已由压缩型发展成弯曲和剪切型。新 研制的压电加速度传感器轻的重量小于0 1 9 ；低频、低g 值、高灵敏度集成电路 式压电加速度传感器具有极高的信躁比，可以检测距离高速公路2 5 0 m 处，由于 汽车行驶而引起的地面振动e 1 1 。 1 3 压电加速度传感器的动态测量系统 在自动测量系统中，其各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以 分为：信息的获得，信息的转换，信息的显示，信息的处理等几个部分【3 1 。压电 第一章绪论 加速度传感器的动态测量电路作为一个完整的非电量测量系统，也包括了信息的 获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变 换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录 仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量测量系统，具体来 说，一般包括传感器( 信息的获得) 、测量电路( 信息的转换) 、放大器、指示器、 记录仪( 信息的显示) 等几部分有时还有数据处理仪器( 信息的处理) 它们问的关 系可用图1 1 的框图来表示。 图1 - - 1 测试系统的组成框图 其中传感器( t r a n s d u c e r ) 是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是 一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正 确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输 出变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中 记录。测量电路的种类是由传感器的类型而定的。压电加速度传感器常用的测量 电路是电荷放大器。 常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图1 2 所示： 图1 - - 2 压电加速度传感器动态测量系统 压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件【l o 】。但是此 电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻 抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量 误差，影响测量效果。如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合 3 压电加速度传感器测量电路的研制 使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。因此，压电加 速度传感器测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。现在最常用的压电加 速度传感器的测量电路就是电荷放大器，所谓电荷放大器是负反馈放大器的一 种，能得到与输入电荷成比例的电压输出。它的特点之一就是使传感器的灵敏度 和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。 这对使用者来说非常方便。但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，整机价格都 比较高，性价比不是很理想，这些原因都严重影响了压电加速度传感器的广泛使 用，所以研制一种性价比较高、实用性强的电荷放大器就非常有必要1 1 1 】。 1 4 压电加速度传感器测量电路的国内外发展水平 目前广泛使用的压电加速度传感器的测量电路是电荷放大器，其输出电压正 比与输入电荷量。电荷放大器相比其他压电加速度传感器测量电路的最大特点是 测量灵敏度和电缆长度无关，这在实际使用中是非常方便的。电荷放大器的电路 理论已经非常完善，性能也在不断提升。国内的像朗斯测试技术有限公司的 u 6 0 1 电荷放大器和扬州泰斯电子有限责任公司的t s 5 8 6 5 电荷放大器输入电 荷量为0 1 0 s p c ，最大输出电压为：e 1 0 v ，准确度可以量1 ，频率范围为0 3 h z 1 0 0 k h z 。国外的有瑞士奇石乐仪器股份公司的新型电荷测量仪5 0 1 5 a 具有优异 的技术指标，精度极高，有更宽的测量范围，广泛适用于科研，实验室和各种生产过 程测量系统的检测。可以进行准静态测量，频率范围高达2 0 0 k h z 。由于采用了 最新技术，噪声几乎完全消除。此外，灵敏度，测量范围和滤波特性均可灵活设 置。通过标准配置r s 2 3 2 c 接口和根据需要选配的i e e e - 4 8 8 接口，可以实现自动 测量。所需的p c 软件及用于l a b v i e w 虚拟仪器软件均在供货范围内。利用另一 个随机附带的w i n d o w s 软件- - f l a s h - l o a d e r , 可在需要时将仪器软件升级。5 0 1 5 a 电荷仪的主要特点如下：测量范围宽：2 p c 一2 ，0 0 0 , 0 0 0p c ，准静态测量能力，频 响：0 - - 2 0 0 k h z ，实时数显测量值和统计值( 均值，峰值，方差等) ，模拟和数字信 号输出，通过计算机接口实现自动测量，差分输入( 防止地回路) 等，现在基于硅 的高温微型电荷放大器也已经研制成功1 3 。这些电荷放大器性能已经很完善，完 全能适用于冲击和振动的测量。但是此类电荷放大器的市场价格还很高，不利于 推动压电加速度传感器的广泛使用。 4 第一章绪论 1 5 本课题研究的主要内容和意义 本文在理论方面对压电加速度传感器及其测量电路作了进一步分析和研究。 通过对压电加速度传感器测量电路原理的深入研究，并参阅大量文献和资料，在 前人研究成果的基础上提出采用集成运放芯片取代大量的分离元件进行优化设 计，提高了电路的集成度，简化了电路的复杂度，使得整个电路达到体积小、功 耗小，寄生因素小和抗干扰性能好等优点。同时，本文也对测量电路在调试与试 验过程中出现的干扰、噪音和零点漂移等问题进行细致的理论分析。并在电荷转 换部分的灵敏电容的切换和输出放大级的增益切换电路中提出了程控化的实现 方案，以减少人为因素对测量结果的影响，使传统的手动调节增益得到改善。通 过实验验证了本文提出的压电加速度传感器测量电路的可靠性及可行性。最后与 已商品化的标准电荷放大器进行比较。实验结果表明本设计是可行的。同时本设 计电路在制作和调试上更简单，设计成本大大降低，电路的研发周期大大缩短， 提高了电路的性价比，具有非常大的实用价值。 5 压电加速度传感器测量电路的研制 第二章压电加速度传感器的原理 2 1 引言 及等效电路 压电加速度传感器由于具有良好的频率特性，以及量程大、结构简单、工作 可靠、安装方便等一系列优点，在各种冲击、振动测量的传感器中，它约占总数 的8 0 以上。目前世界各国用做加速度量值传递标准的高频和中频标准加速度 都是压电式的。在工程上，欲测量几个g 到几万个g ( 加速度) ，持续时间从小 于l m s 一几十m s ，而不需更换传感器的，只有压电加速度传感器才能胜任1 7 l 。本 章就压电加速度传感器的工作原理及其等效电路作详尽介绍。 2 2 晶体的压电效应 某些晶体，当沿着一定方向受到外力的作用时，内部就会产生极化现象，同 时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力 的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一个交变电场， 晶体本身就将产生机械变型，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应也称为电致 伸缩效应。电介质的“正压电效应”与“逆压电效应”统称为压电效应 ( p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ) 。目前，利用逆压电效应可以制成微小驱动器，甚至制成高 频振动台。而压电式传感器通常利用正压电效应来实现。 晶体的压电效应亦可用图2 1 来加以说明。图2 1 ( a ) 是说明晶体具有压 电效应的示意图。一些晶体当不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单 位体积中的电矩( 即极化强度) 等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下 晶体形变时，正负电荷的中心发生分离，这时单位体积的电矩不再等于零，晶体 表现出极性。图2 1 ( b ) 中另外一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力 如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效 应。 6 第二章压电加速度传感器的原理及等效电路 ( a ) ( a ) 具有压电效应的晶体( b ) 不具有压电效应的晶体 图2 1 晶体的压电效应 具有明显压电效应的材料称为压电材料。压电材料可分为三大类：压电晶 体、压电陶瓷、半导体压电材料。前者为单晶体，后者为经过极化处理的多晶体， 第三者为半导体。它们都具有较大的压电系数，机械性能优良( 强度高、固有振 荡频率稳定) ，时间稳定性好，温度稳定性好，所以都是较理想的压电材料。下 面以压电陶瓷为例来介绍一下晶体的压电效应。 压电陶瓷是人造多晶体，内部存在许多电畴1 1 1 。压电陶瓷刚烧结成时，其内 部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。在烧结的压电陶瓷 上施加一外电场e ，在电场作用下，电畴的自发极化方向趋向与电场方向一致。 当外电场去掉后，各电畴的极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极 化强度。由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由于束 缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由电荷。无外力 作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相反，对外不显电性，如图2 - - 2 ( a ) 所示。 国嚣豳 ( a ) 无外力作用 ( b ) 压力作用 图2 2 压电陶瓷的压电效应 如果在压电陶瓷上施加一个与极化方向平行的压力( f m ，故上式通常写为 qd33ma(2-9) 所以压电加速度传感器的电荷灵敏系数为 舻詈一竽一d 3 3 m ( 2 - - 1 0 ， 上式为灵敏度的电荷表示法，灵敏度亦可用开路输出电压表示，因为 u 孚 ( 2 - - 1 1 ) q 式中，q 为晶片的低频电容( 自由电容) 即压电加速度传感器的电压灵敏系数为 杨一鲁一百d 3 3 m ( 2 - - 1 2 ) 若加速度a 以重力加速度g 计( g - 9 8 1 1 1 1 5 2 ) ，经单位换算，传感器的电荷灵敏 度系数和电压灵敏度系数可以分别用目前惯用的单位p c g 和m v g 表示，其中 p c 表示皮库仑( 1 0 1 2 c ) 。 2 3 3 频率响应 如图2 3 所示的压电式加速度传感器， 可以简化成图2 5 由集中质量m 、集中 弹簧刚度k 和集中阻尼c 的一个单自由度 二阶力学系统i 2 l 。其数学模型为 d2 工出 肺矿石+ 舡。堋 式中m 为压电元件质量； c 为等效阻尼系数； k 为刚度系数： 图2 5 压电加速度传感器 二阶力学系统示意图 ( 2 1 3 ) x 为质量块相对于基座位移的振幅( 即振动体加速度的振幅) ； a 为惯性力引起的加速度； 负号表示惯性力与加速度方向相反。 二阶质量弹簧系统的幅频特性和相频特性表达式：振动加速度引起质量块位 1 0 第二章压电加速度传感器的原理及等效电路 移的幅值为 1 目2 哥 1 ( 2 1 4 ) 质量块的位移滞后于加速度的相位角为 一考络( 2 - - 1 5 )妒一咖看葡 式中为振动角频率5 为传感器固有角频率； 亭为相对阻尼系数 由于相对位移x 就是压电元件的形变量，在弹性范围内，如果作用在压电元 件上f o 惯性力为f ，压电元件本身的刚度系数为j 0 ，则有f j r y 工。因此而产 生力一电转换，压电元件表面产生的电荷q d m f d m j ( r 石，于是有 考垒击( 2 - - 1 6 ) 4ad 。曷 则式( 2 - - 1 6 ) 成为 qd 。k y ? 嘁 i 。石示亓丽 q 1 7 由( 2 - - 1 0 ) 可知，a a 为压电加速度传感器的电荷灵敏度系数量，口。式( 2 - - 1 7 ) 表示与叫( 频率比) 的关系称为加速度传感器的频率响应特性的数学表 达式。可见当可相当小时，式( 2 - - 1 7 ) 可以写成如下形式： 垒堕( 2 - - 1 8 ) 4 可见，当传感器的固有频率远大于振动体的工作频率时，传感器的电荷灵敏 度系数近似为一常数，基本上不随工作频率变化，此为传感器的理想工作频率。 由于压电式传感器具有很高的固有频率，只要放大器高频截止频率远大于传感器 的固有频率，其高频上限由传感器的固有频率决定。所以压电式传感器的高频响 应特性特别好，频响范围宽。其低频响应取决于输出回路的时间常数( 见电压放 大器) ，时间常数越大，低频响应性能越好。尤其是配用电荷放大器，时间常数f 1 1 压电加速度传感器测量电路的研制 长达1 0 5 s ，可用来测量准静态力学量。 2 4 压电加速度传感器的等效电路 压电元件是压电加速度传感器的敏感元件。当它受到外力作用时，就会在电 极上产生电荷，因此它相当于一个电荷源( 又叫静电发生器) 。当压电元件电极 表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电解质的电容器f 5 1 。其电容量可 以用下式表示： e 掣 ( 2 1 9 ) i 式中乞为压电加速度传感器的内部电容( f ) ； o 为真空介电常数( o 一8 8 5 x 1 0 1 2 f m 1 ) ； ， 为压电材料的介电常数( f m 。) ； a 为极板面积( m 2 ) ； l 为压电元件的厚度( m ) 。 若外加的机械力为f ，根据压电效应，它所产生的电荷q 为： q-d#f-d#ma(2-20) 其中d 1 为压电常数，m 为质量块，在低频时，输出电荷和加速度口成正比。因 为压电传感器既是电荷源又是电容器，其等效电路可认为是二者的并联0 0 l ，如图 2 6 ( a ) 所示。图中r 为绝缘电阻，绝缘电阻r 一般在1 0 9 。1 0 1 4 欧姆之间，可 认为是开路的，所以电荷q 对电容e 充电，充电电压为u ： 矿= 叫q( 2 2 1 ) 图2 - - 6 ( b ) 所示的压电加速度传感器的电压等效电路，其中u 和e 的乘积为q ， 所以两电路是等效的。 1 2 第二章压电加速度传感器的原理及等效电路 q ( a ) ( b ) ( a ) 电荷等效电路；( b ) 电压等效电路 图2 6 压电加速度传感器的等效电路 由图2 6 可知，只有在外电路负载墨无穷大，且内部无漏电时，压电传感 器受力所产生的电压信号才能长期保存下来。如果负载不是无穷大，则电路就要 以时问常数r c 按指数规律放电。因此，当用压电传感器来测量一个静态或频率 很低的参数时，就必须保证负载电阻r 具有很大的数值，以保证测量电路的时间 常数足e 足够大。压电加速度传感器与二次仪表配套使用时，较完整的等效电路 如图2 7 所示。图中，电压和电荷等效电路形式不同，但是其工作原理是完全 等效的。 0 ( a ) 电荷等效电路( b ) 电压等效电路 图2 7 压电加速度传感器测试系统的等效电路 测试系统等效电路中画出了传感器连接电缆电容e ，放大器输入电阻， 输入电容c 和传感器的绝缘电阻r a 。 2 5 压电加速度传感器的典型结构 压电加速速传感器应用非常广泛，用于振动检测的传统压电加速度传感器可 分为压缩型和剪切型。其中压缩型主要有中心压缩型和倒装压缩型，剪切型主要 有环形剪切式、平面剪切式和三角剪切式1 3 】。如图2 8 所示。 1 3 压电加速度传感器测量电路的研制 c a ) 中心压缩式( b ) 倒装压缩式( c ) 环形剪切式 ( d ) 平面剪切式 ( c ) 三角剪切式 图2 8 压电加速度传感器的典型结构 压缩式压电加速度传感器的特点是机械加工简单，装配方便，输出灵敏度较 高，成本和售价低。而剪切式压电加速度传感器的机械加工和装配比较复杂，技 术性含量高，成本和售价较高。 2 6 本章小结 本章从晶体的压电效应出发，介绍了压电加速度传感器的工作原理及其主要 结构，给出了电荷灵敏度、电压灵敏度公式的推导，分析了压电加速度传感器的 频率响应，并对压电传感器的等效电路进行分析，给出了压电加速度传感器与二 次仪表配套使用时的系统等效电路，为下章测量电路的研究提供了理论基础。 1 4 第三章压电加速度传感器测量电路的研究 第三章压电加速度传感器测量电路的研究 3 1 引言 由于压电加速度传感器晶片的输出信号为微弱的电压信号或电荷信号，如 果要对它进行显示记录等必要的后续处理就必须将电压信号放大或把电荷信号 变成电压信号后再进行适调放大，这就需要压电加速度传感器的测量电路来完 成。本章就压电加速度传感器的后续调理电路方面的理论知识作详尽的论述。 3 2 压电加速度传感器对测量电路的要求 由于压电加速度传感器内阻很高，且输出的信号微弱，因此一般不能直接连 接数字电压表直接显示和记录，需要经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。但 是压电加速度传感器产生的电荷量很少，它除自身要有极高的绝缘电阻外，同时 也要求测量电路前级输入端也要有足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而引起测 量误差【1 1 】。下面我们来具体分析一下。 r t 图3 - - 1 静电泄漏对压电加速度传感器输出电压的影响 设有一恒定的力作用在压电加速度传感器的晶体元件上，使压电晶体表面产 生电荷q ，并在晶体表面间产生电压，则有 一罟 ( 3 1 ) 式中c 为压电晶体、连接电缆和测量电路输入电容的总和： c c + c c + q 。 但是，由于压电加速度传感器的绝缘漏电阻兄不可能是无限大，因此，将有电 荷通过电阻兄泄漏，使电压h 。不能保持恒定值，这种情况与电容器c 积存的电 压电加速度传感器测量电路的研制 荷通过图3 1 中r 放电相似。下面分析电压h 随时间变化的规律，其等效电路 可简化为图3 1 的形式。 当t = 0 时，由于恒定力作用，电容器c 的两极板上产生电荷q ，使电容器的 极板间具有电压甜。由于泄漏电阻的存在，电荷q 将通过电阻r 逐步漏掉，泄 漏电流为i ，这将使电容器的电压”下降。根据欧姆定律，在任何瞬间t 有 “- i r( 3 2 ) 而 f 一鲁，( 2 - c u 将以上两式代入u i r ，得 一d u 一旦o ( 3 3 ) d tr c 。 式( 3 3 ) 为一个一阶线性微分方程，解这个微分方程，并将初始条件f - o , u - 心 代入，可得电容器两端的电压h 随时间变化的规律为 u - “。e 7 ( 3 4 ) 式中f 称为电路的时间常数，且有 f r c ( 3 5 ) 则式( 3 4 ) 亦可写为 “一u a e ” ( 3 6 ) 为估算由此而产生的测量误差，将式(