（电路与系统专业论文）压电加速度传感器测量电路的研究与开发.pdf

中文摘要 压电加速度传感器测量电路的研究与开发 摘要 压电加速度传感器测量电路是非电物理量的测量与控制技术领域，特别是振 动与冲击测量中最重要组成部分。压电加速度传感器是个可以看作能产生电荷 的高内阻发电元件，但其产生的电荷量很小，因此不能用一般的测量电路来进行 测量，必须用与之相配套的测量电路。 目前最常用的压电加速度传感器的测量电路是电荷放大器，它能得到与输入 电荷成比例的电压输出。它的一个重要特点是传感器的灵敏度和电缆长度无关， 电缆可长达几千米。本文通过对压电加速度传感器测量电路的深入研究，提出了 一种用集成芯片取代大量分寓元件的电荷放大器的设计方案。整个电荷放大器主 要有电荷转换电路、适调放大电路、高低通滤波电路、输出放大电路、稳压电源 电路和过载指示电路等六部分组成。通过与标准电荷放大器的比较测试实验，验 证了本设计的可行性和可靠性。论文完成的主要工作如下： 1 、通过对压电加速度传感器测量电路的理论研究，提出用t l 0 8 i 芯片取代大 量的分离元件进行电荷放大器的优化设计方案，从而提高了电路的集成度，使其 具有体积小、功耗低、寄生因素少和抗干扰性能强的优点。 2 、在设计的电荷放大器中加入适调电路和滤波电路。对信号进行归一化处理， 抑制了高频和直流分量的干扰信号，改善输出波形，提高测试精度。 3 、设计制作电荷放大器电路板，并进行比较测试实验。结果表明，该测量系 统设计合理，使用方便，完全能满足实际测试要求。 4 、分析了电荷放大器的测试误差，提出后续研究的设想和方向。 本文提供了一种压电加速度传感器测量系统的开发方案，系统的设计过程和 设计方案，对类似系统的设计开发具有借鉴意义。 关键词：t l 0 8 1 ，压电加速度传感器，电荷放大器，灵敏度 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f m e a s u r e m e n t c 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 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rt h e 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 st h ek e y c o m p o n e n ti nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fn o n - e l e c t r i cp h y s i c a l q u a n t i t y , e s p e c i a l l yi n t h ea p p l i c a t i o no fv i b r a t i o na n d8 t 1 i k e m e a s u r e m e n t p i e z o e l e c t r i c a c c e l c 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 ee l e c t r i cc h a r g e w i t hh i 【g hi m p e d a n c e ，b u tt h eq u a n t i t yo fe l e c t r i cc h a r g ei s v e r ys u b t l e t a k e nt h i s r e a s o ni n t oa c c o u n t , t h eg e n e r a lm e a s u r e m e n tc i r c u i td o e sn o tw o r kw e l l t h e r e f o r e ， as p e c i a lm e a s u r e m e n tc i r c u i ts u i t a b l ef 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 ri su s e d i n s t e a d n o w a d a y s ，t h ec h a r g ea m p l i f i e r , w h o s eo u t p u t ( v o l t a g e ) i si np r o p o r t i o n a lt ot h e i n p u t ( c h a r g e ) ，i se m p l o y e da st h em o s tp o p u l a rm e a s u r e m e n tc i r c u i tf 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 r o n eo fi t sn o t a b l ec h a r a c t e r i s t i c si st h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o rh a s n o t h i n gt od o 晰t ht h el e n g t ho ft h ec a b l e ，s ot h ec a b l ec a nr e a c hs e v e r a lk i l o m e t e r s t h r o u g hf u r t h e r r e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n tc i r c u i tf o rt h e p i e z o e l e c t r i c a c c e l e r o m e t e r , an e wk i n do fc h a r g ea m p l i f i e ri si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , w h i c hu s e s i n t e g r a t e dc i r c u i tt or e p l a c eal a r g en u m b e ro fd i s c r e t ec o m p o n e n t s i tc o n t a i n ss i x p a n s ，i n c l u d i n gc h a r g ec o n v e r t i n gc i r c u i t , c o n d i t i o nm a g n i f y i n gc i r c u i t ，h i g ha n dl o w p a s sf i l t e r , o u t p u ta m p l i f i e r , o v e r l o a di n d i c a t o rc i r c u i ta n ds t a b i l i z e dv o l t a g es u p p l y c i r c u i t c o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r dc h a r g ea m p l i f i e r , t h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e ma r ec o n f n m e d t h ed i s c u s s i o nc o v e l 怎： 1 、b yt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h em e a s u r e m e n tc h - c u i to ft h ep i e z o e l e c t r i c a c c e l e r o m e t e r , ao p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rc h a r g ea m p l i f i e ri sp r o p o s e dw h i c hu s e s t l 0 81t or e p l a c eal a r g en u m b e ro fd i s c r e t e c o m p o n e n t s t h ed e s i g nn o to n l y i m p r o v et h ei n t e g r a t i o no ft h ec i r c u i t ，b u ta l s oh a v es o m ee x t l 盈m e r i t s ，i n c l u d i n g 英文摘要 s m a l l e rv o l u m e ，l o w e rc o n s u m p t i o n , l e s sa u t o c c i o u s n e s sa n ds t r o n g e rr e s i s t a n c et o i n t e r r u p t i o n 2 、a f f i l i a t e dc o n d i t i o n a lc k c u i ta n df i l t e rt ot h ed e v i s e dc h a r g ea m p l i f i e r , t h e s i g n a li sn o r m a l i z e da n dt h en o i s e ( g e n e r a l l y , h i g l lf r e q u e n c ys i g n a la n dd cs i g n a l ) a r cr e s t r a i n e d a sar e s u l t , t h eo u t p u to ft h ew a v e f o r mi si m p r o v e d ，a sw e l la st h e t e s t i n gp r e c i s i o n 3 、t h ec i r c u i tb o a r do ft h ec h a r g ea m p l i f i e ri sd e s i g n e d , t h e nt h ec o n t r a s t i n g e x p e r i m e n t si sm a d e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dc o n v e n i e n t , a n da l lt h ed a t ac o n f o r m st ot h er e q u i r e m e n t 4 、t h r o u g ht h ee r r o ra n a l y s i so ft h ec h a r g ea m p l i f i e r , t h ep l a no ft h es u c c e e d i n g r e s e a r c hi sp u tf o r w a r d t h i sp a p e rp r o v i d e sag e n e r a li d e af o rt h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r e m e n ts y s t e m f 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 t h ed e s i g nm e t h o do ft h i ss y s t e mi so fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rd e s i g n i n gs i m i l a rs y s t e m s k e y w ord ：t l 0 81 ，p i e z o e l e c t r i ca c c e l e r o m e t e r , c h a r g ea m p l i f i e r , s e n s i t i v i t y 图表清单 插图清单 图1 1 常见的电荷放大器l 图1 2 压缩型压电加速度传感器2 图1 3 剪切式压电加速度传感器2 图l _ 4 典型测试系统”4 图l - 5 压电加速度传感器动态测量系统4 图l - 6 朗斯公司和美国p c b 公司生产的压电加速度传感器6 图2 1晶体压电效应示意图7 图2 2 晶片上电荷极性与受力方向的关系8 图2 3 压电加速度传感器工作原理示意图9 图2 _ 4 作用于压电元件两边的力1 0 图2 5 压电加速度传感器二阶系统物理模型1 2 图3 1 压电加速度传感器的等效电路1 6 图3 2 压电加速度传感器测试系统等效电路1 6 图3 3 压电加速度传感器简化电路“1 7 图3 4 压电加速度传感器与电压放大器连接的等效电路2 0 图3 5电压幅值比、相角与频率的关系曲线2 2 图3 6 电荷放大器的等效电路2 3 图3 7 压电加速度传感器与电荷放大器连接的等效电路2 4 图3 8 输入电缆影响的测量系统等效电路2 7 图4 1典型电荷放大器的组成框图2 8 图4 2 本设计电荷放大器框图2 9 图4 _ 3t l 0 8 1 芯片引脚图3 0 图4 _ 4t l 0 8 1 的内部电路原理图”3 0 图4 5 干扰源等效电路图3 1 图4 6 电荷转换电路原理图3 3 图4 7 反相比例运算电路3 5 图4 8 同相比例运算电路3 5 图4 9 适调放大电路原理图3 6 图表清单 图4 - 1 0 二阶r c 无源低通滤波器原理图3 7 图4 - 1 1 二阶r c 有源低通滤波电路3 8 图4 1 2 一阶r c 有源高通滤波电路= 4 0 图4 1 3 高、低通滤波电路原理图4 1 图4 1 4 过载指示电路原理图4 2 图4 1 5 直流稳压电源结构框图4 3 图4 1 6 直流稳压电源稳压过程图4 3 图4 1 77 8 0 5 7 i 脚图4 4 图4 1 8 输出+ 5 v 稳压电路原理图4 4 图4 1 97 9 1 5 7 i 脚图4 5 图4 2 0 1 5 v 稳压电源电路4 5 图4 2 1电路板设计流程图4 6 图5 1 实验装置框图4 8 图5 2 固定电缆避免相对运动4 9 图5 3 信号地线与其它地线分开5 0 图5 _ 4 测量电路接地5 0 图5 5 反馈电阻为1 0 g 时本设计的输出波形5 0 图5 6 反馈电阻为1 0 t 时本设计的输出波形5 1 图5 7 反馈电阻为1 0 0 t 时本设计的输出波形5 l 图5 8 实验波形和标准电荷放大器输出信号波形5 2 图5 9 本设计电荷放大器的信号频谱5 2 图5 1 0 标准电荷放大器t s 5 8 6 5 的信号频谱5 3 图5 1 l 屏蔽工频干扰后的信号频谱5 3 图5 1 2 未加滤波时本设计电荷放大器的信号频谱5 4 图5 1 3 加了l k h z 有源低通滤波器后本设计的信号频谱5 4 图5 1 4 加了l k h z 有源低通滤波器后标准电荷放大器的信号频谱5 5 图5 1 5 加了l k h z 低通滤波的两路输出信号波形：”5 5 图5 1 6 未加高通滤波器时的两路输出信号波形5 6 图5 1 7 加了高通滤波器后的两路输出信号波形5 6 图表清单 表格清单 表5 一l 不同加速度下本设计电荷放大器和标准电荷放大器的输出电压值比较 表5 2 不同频率下本设计电荷放大器和标准电荷放大器的灵敏度比值 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下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，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的 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己 在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：签字日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、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。本人授权安徽大学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： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业去向： 导师签名： 签字日期： 年月 日 工作单位：芜湖信息技术职业学院电话：0 5 5 3 5 9 7 7 0 2 0 通讯地址：芜湖信息技术职业学院电子信息系邮编：2 4 1 0 0 3 第一章绪论 第一章绪论 i 1 压电加速度传感器测量电路的现状 目前广泛使用的压电加速度传感器测量电路是电荷放大器，其输出电压正比 于输入电荷量。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，这在实际测量应用时变得非常方便。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 l c 0 6 0 1 电荷放大器、扬州泰司电子有限公司的t s 5 8 6 5 、北京波谱世纪科技发展 有限公司w s - 2 4 0 1 电荷放大器等。其中t s 5 8 6 5 电荷放大器输入灵敏度为o1 1 0 0 0 m v p c ( i 、3 分档) ，输入电荷量为o 1 0 5 p c ，最大输出电压为_ + i o v 1 0 m a ， 准确度0 5 ，频率范围为03 h z 1 0 0 k h z ，噪声( 最大灵敏度) 折合输入端小于 5 u v ，归一化连续调节，数字显示。 ( a ) t s s s 6 5 型电荷放大器 ( b ) 5 0 1 5 a 型电荷测量仪 图i i 常见的电荷放大器 国外的如瑞士奇石乐仪器股份公司的新型电荷测量仪5 0 1 5 a 也具有优异的 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。由于采用了最新技术，本机噪声几乎 完全消除。灵敏度、测量范围和滤波特性均可灵活设置。还可提供适用于内置式 压电传感器的电压输入端。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。利用随机附带的w m d o w s 软件- - f l a s h - i o a d e r 可在需要时将仪器软件( p c 软件及用于l a b v i e w 虚拟仪器软件) 升级5 0 1 5 a 电 蓄蕊 压电加速度传感器测量电路的研究与开发 荷仪的主要特点是测量范围宽：2 p c - 2 ，0 0 0 ，0 0 0 p 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；差分输入( 防止地回路) ；双模式，同时适于电荷型和电压型传感器( 选项) 等。所有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。所以，研究设计出一种电路简单，集成度高，成本低的实用的电荷放大器就 显得非常有必要。 1 2 压电加速度传感器的分类 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。压缩型压电 加速度传感器主要有中心压缩式和倒装中心压缩式如图l - - 2 所示，而剪切式压 电加速度传感器则有环行剪切、平面剪切、三角剪切等类型，如图1 3 所示。 ( 8 ) 中心压缩式( b ) 倒装压缩式 图l 一2 压缩型压电加速度传感器 ( a ) 环形剪切( b ) 平面剪切( c ) 三熊剪切 图1 - - 3 剪切式压电加速度传感器 2 第一章绪论 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。相对而言，剪切式压电加速度传感器的机械加工和装配则 比较复杂，同时由于技术性含量高，其成本和售价也较高【l 一。 ， 压缩式压电加速度传感器的敏感元件( 压电系数以，) 是直接安放在传感器 的底座上面的，由于是面对面的接触，所以其能强烈的感受到来自被测对象的振 动量，同时也包括一些干扰信号。此外。装配时产生的误差以及长时间的使用或 承受较大量级的振动后，紧固压电晶片和质量块的预紧螺母与螺丝之间的松动， 还有因预螺母自身平面的垂直度不好而导致的整个压电晶片工作面与加速度传 感器底座的接触不理想、不可靠，都会带来性能与测试的误差。 而剪切式的敏感元件是以线形的形式垂直的固定在传感器的底座上( 压电系 数为d l 。) ，且与传感器的底座完全隔离，因此不会直接感受到被测对象的振动量； 加之紧固压电晶片和质量块的并不是预紧螺母与螺丝，所以剪切式压电加速度传 感器的横向灵敏度和各项环境灵敏度要比压缩式要小的多。 1 3 加速度传感器的发展方向 加速度测量是微传感器领域中最富挑战性、最富发展前景领域之一高可靠 性、高灵敏度、微型化的加速度传感器越来越为汽车工业、航天、生物、医学等 领域所需要。目前的加速度传感器类型有压阻式、电容式、压电式、隧道式、热 电式、谐振式、磁感应式、光学式等。随着m e m s 技术的快速发展，使传感器 和电子元器件集成于同一衬底的单片系统，将是微传感器的发展主流。 1 4 压电加速度传感器的动态测量系统 现在的自动测量系统中，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、信息的处理等四部分。作为 一个完整的非电量电测系统，压电加速度传感器测量电路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。因此非电量电测系统，具体来说，一 压电加速度传感器测量电路的研究与开发 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) 。它们间的关系可 用图l 一4 的框图来表示。 图l 一4 典型测试系统 传感器从被测对象获得信息，把被测非电量变换为电量，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，决 定了测试系统的精度，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放大或转换为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。测量电路的种类由传感器的类型而定。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 - - 5 所示： 图1 - 5 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。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 4 第一章绪论 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，机器价格都比较 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的、实用的电荷放大器就非常的有必要【3 1 。 1 5 压电加速度传感器在动态测试中的意义 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，已越来越广 泛地应用于航天、航空、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、自动检测与计量等技术领域，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【l l 。所谓动态测试是指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 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，动态测试技术日新月异，其中冲击和振 动的精确测量技术显得尤其重要【7 l 。 振动与冲击测量的核心是传感器，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，压电加速度传感器又称压电加速度计或压电加速度表，由 于加速度传感器的发明，使振动与冲击测量逐渐在工业界获得广泛应用。它是一 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后不久就研制成功，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，而且谐振贫率高、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，广 电加速度传感器测量电路的研究与r 发 泛应用于水利、动力、采矿、交通、建筑、地震、船舶、桥粱、航空、航天、兵 器、化爆和建筑等部门的振动和冲击测试、信号分析、振动技准、机械动态实验 等中，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 、瑞士的k j s f l e r ，美国的e n d e v c o 、w i l c o x 、p c b 和f r e e s c a l e 公司等，在 我国则有扬州无线电厂北京京仪北方仪器仪表有限公司测振仪器分公司，朗斯 测试技术有限公司和北戴河兰德科技有限责任公司等。 ，蔫 图1 6 朗斯公司和美田p c b 公司生产的压电加娃传感器 1 6 本论文课题的提出 基于以上的分析研究，在继承课题组现有研究和开发成果的基础上，并参阅 大量文献和资料，通过对压电加速度传感器测量电路原理的进一步深入研究，提 出采用集成运放芯片t l 0 8 1 取代大量的分离元件进行优化设计，从而提高电路 的集成度，简化电路的复杂度，使得整个电路达到体积小、功耗低，寄生因素少 和抗干扰性能强等优点。同时，本文也对测量电路在调试与试验过程中出现的干 扰、噪音和漂移等问题进行细致的理论分析，并采取有效措施予以排除。最后通 过与标准电荷放大器进行比较测试试验分析，验证了本文所设计的压电加速度传 感器信号测量电路( 电荷放大器) 是可行和可靠的。同时本设计电荷放大器与已 商品化的标准电荷放大器相比，在制作和调试上更简单，降低了电路的设计成本， 缩短了电路的研芨周期，提高了电路的性价比，具有非常大的实际价值。 第二章压电加速度传感器的工作原理 第二章压电加速度传感器的工作原理 压电加速度传感器是以某些物质的压电效应为基础的一种发电式传感器，具 有体积小、量程大、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪 比高、安装方便等优点，在各种振动与冲击测量领域得到广泛应用。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传感器都是压电式加速度 传感器。本章主要介绍压电加速度传感器的工作原理和等效电路。 2 1晶体的压电效应 某些电介质物质，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，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。而压电式传感 器通常利用正压电效应来实现。反之，如对晶体施加一交变电场不仅产生极化， 同时还产生了应力和应变，去掉电场该物质的形变随之消失，把这种电能变成机 械能的现象称为逆压电效应。逆压电效应也称为电致伸缩效应。 各种各样的电介质材料共有3 2 种晶体点阵，它们在外加电场诱发下都可以 极化成偶极矩，其中2 0 多种可以产生压电转换效应。这是由于压电效应与材料 结构中有无对称中心密切相关。受力前后正负电荷中心不重合的晶体称为无对称 中心的晶体，重合的称为有对称中心的晶体。图2 一l 为晶体的压电效应示意图。 爸毽 专 ( a ) 有对称中心的异极晶体( b ) 无对称中心的异极晶体 图2 一l 晶体压电效应示意图 图2 一l ( a ) 中，由于晶体结构中有对称中心，无论有无外力作用，正负电荷重 心总重合，不会出现压电效应。图2 一l ( b ) 是说明晶体具有压电效应的示意图。 7 压电加速度传? 蓦器测量电路的研究与开发 当晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷重心相重合，对外不呈现极性，单位体 积中的电矩( 即极化强度) 等于零；而在外力作用下，晶体形变，正负电荷的重 心不再重合，这时单位体积的极化强度不再等于零，晶体对外表现出极性。所以 晶体结构中有无对称中心是产生压电效应的必要条件。晶体上电荷极性与受力方 向的关系如图2 2 所示【8 】o 一一十三一 肜绷 图2 2 晶片上电荷极性与受力方向的关系 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。目前应用于压电式传感器中的压 电材料可分为三大类：压电晶体( 单晶体) 、压电陶瓷( 多晶体) 和新型压电材 料( 包括压电半导体和高分子压电材料) 【4 】。 压电晶体的种类很多，如石英晶体、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、钽酸锂( l i t a 0 3 ) 、 锗酸锂( l i g e 0 3 ) 、镓酸锂( l i g a 0 3 ) 、锗酸铋( b i l 2 g e 0 2 0 ) 等。其中石英晶体 是压电传感器中常用的一种压电材料，它具有性能稳定、自振频率高、动态响应 好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好，线形范围宽等优点。石英晶 体的缺点是压电常数较小，因此，它大多只用在标准传感器、高精度传感器或使 用温度较高的传感器中。而在般要求测量用的压电式传感器中，则基本上采用 压电陶瓷。 压电陶瓷的特点是压电常数大、灵敏度高、工艺成熟、成本廉价，且具有热 释电性。其种类主要有二元系列陶瓷，如钛酸钡( b a c 0 3 ) 、锆钛酸铅( p z t ) 压电陶瓷等；三元系列陶瓷，如铌镁酸铅( p ) 压电陶瓷等。 8 第二章压电加速度传感器的工作原理 压电半导体既具有压电特性又有半导体特性，因此既可用其压电性研制传感 器，又可用其半导体性制作电子器件，也可将二者结合，研制集转换元件和电子 线路于一体的新型压电传感器测试系统。高分子压电材料因具有质轻柔软、抗拉 强度高、蠕变小、耐冲击等独特优点，因此，在一些特殊用途的传感器中获得广 泛的应用【4 ，舯。 2 2 压电加速度传感器的工作原理 2 2 1 工作原理 图2 - - 3 为压电加速度传感器的原理图【2 1 。 质量 压电 元件 输出 引线 支座 图2 3 压电加速度传感器工作原理示意图 它由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物 运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方 向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷( 电压) 。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。 盯：刀：d 二 ( 2 1 ) l ( o 因为 仃：q ，国 所以 式中 q = d f = d m a ( 2 2 ) 仃电荷密度 d 压电常数 9 压电加速度传感器测量电路的研究与开发 肌质量块质量 口测试件加速度 电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷( 电压) 大小， 从而得出物体的加速度。 2 2 2 灵敏度 压电加速度传感器灵敏度是指其输出电量( 电荷或电压) 与所承受的振动( 或 冲击) 加速度的比值。它是表征加速度传感器性能的最基本的参数。下面我们推 导一下压电加速度传感器的灵敏度公式。如图2 4 所示，作用于压电元件两边 的力为 图2 - - 4 作用于压电元件两边的力 f f m q 辟= ( m + m ) a 式中肘质量块质量 m 晶片质量