传感器原理b7

第7章压电式传感器7.l压电式传感器的工作原理7.2压电元件的等效电路及测量电路7.3压电元件常用结构形式7.4压电式传感器应用,压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。压电效应是可逆的，即有两种压电效应：其一为正压电效应，当沿着一定方向对某些电介质施加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态；其二是逆压电效应，当在介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一定的方向上产生机械变形或机械应力；当外加电场撤去后，这些变形或应力也随之消失。可见压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。,7.1压电式传感器的工作原理7.1.1压电效应某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机电能量的相互转换。,晶体的压电效应可用下图来加以说明。图(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(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。,晶体的压电效应示意图(a)具有压电效应的晶体;(b)不具有压电效应的晶体,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。1、石英晶体石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。,石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系,结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示：X：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。Y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。Z：无压电效应，中心轴，也称光轴。通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,当晶体受到沿X方向的压力（FX0,在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。,可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。这种沿X轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“纵向压电效应”。,（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0,当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。,晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。这种沿Y轴施加力,而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象,称为“横向压电效应”。晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。,假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。,平行六面体晶体切片,当晶片在沿X轴的方向上受到压缩应力sxx的作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度Pxx与应力sxx成正比，即,式中pxx为单位面积电荷；Fx为沿晶轴X方向施加的压缩力；lb为石英晶片的长度和宽度；d11为压电系数（单位为库仑牛顿,即CN），当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体d11=2.310-12CN-1。,脚标的意义是：第一个数字表示产生电荷的面的轴向，第二个数字表示施加作用力的轴向，其中1为X轴，2为Y轴，3为Z轴。,而极化强度Pxx等于晶片表面的电荷密度，即把Pxx值代入得由式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。,石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力Fx改为拉力时，则电荷仍出现在在垂直于X轴的平面上，但极性相反，如图（a）、（b）。如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为,根据石英晶体轴的对称条件负号表示沿Y轴的压缩力产生的电荷与沿X轴施加的压缩力所产生的电荷极性相反。由式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。,由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。,2、压电陶瓷未加电场压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。,加电场电畴方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,这时的材料具有压电特性。,但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。,如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。,同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。,逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）,由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。,钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图,为了使压电陶瓷具有压电效应,必须进行极化处理:在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如2030kVcm直流电场）,经过23h以后,压电陶瓷就具备压电性能了。这是因为陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向（如下图所示）,这个方向就是压电陶瓷的极化方向。,压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其电荷量q与力F成正比，比例系数为d33，亦即式中d33压电陶瓷的纵向压电系数。下标的意义与石英晶体相同，但在压电陶瓷中，通常把它的极化方向定为Z轴（下标3），这是它的对称轴，在垂直于Z轴的平面上，任意选择的正交轴为X轴和Y轴，下标为l和2，所以下标l和2是可以互易的。,极化压电陶瓷的平面是各向同性的，对于压电常数，可用等式d32=d31表示，它表明平行于极化轴（Z轴）的电场，与沿着Y轴（下标2）或X轴（下标）的轴向应力的作用关系是相同的。极化压电陶瓷受到均匀分布的作用力F时，在镀银的极化面上，分别出现正、负电荷q。式中Ax极化面的面积；Ay受力面的面积。,7.2压电元件的等效电路与测量电路7.2.1等效电路压电传感器中的压电晶体承受被测机械力的作用时，在它的两个极板面上出现极性相反但电量相等的电荷。显然可以把压电传感器看成一个静电发生器，如图所示，显然也可以把它视为一个极板上聚集正电荷，一个极板上聚集负电荷，中间为绝缘体的电容。,式中：s压电元件电极面面积（m2）;t压电元件厚度（m）；压电材料的介电常数（Fm）,随材料不同而异;r压电材料的相对介电常数,如锆钛酸铅的r为20002400；0真空介电常数（0=8.8510-12Fm）。,其电容量为,压电元件等效电路（a）电荷等效电路；（b）电压等效电路,当需要压电元件输出电荷时,可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图(a)所示。在开路状态,其输出端电荷为q=CaUa,当需要压电元件输出电压时,可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路,如图（b）所示。在开路状态,其输出端电压为,需要说明的是,上述等效电路及其输出,只有在压电元件自身理想绝缘、无泄漏、输出端开路（即其绝缘电阻Ra=RL=）条件下才成立。压电元件的输出信号非常微弱,一般要把其输出信号通过电缆送入前置放大器放大,这样,在等效电路中就必须考虑前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci、电缆电容Cc以及传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）Ra。实际的等效电路如下图所示。图（a）为电压等效电路,图(b)为电荷等效电路,这两种电路是完全等效的。,由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后的电压或电荷才能长期保存下来，否则电路将以某时间常数按指数规律放电，这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电晶体不适合于静态测量。,压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度Ku，后者称为电荷灵敏度Kq，它们之间可以通过压电元件（或传感器）的电容Ca联系起来，即,本节重点：1、掌握正压电效应和逆压电效应,思考题1、什么叫顺压电效应？什么叫逆压电效应？举例说明在实际传感器中是如何利用这两种压电效应的。,7.2.2测量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：一是放大传感器输出的微弱信号二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗根据压电元件的工作原理，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比，另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,1.电压放大器电压放大器的等效电路如图所示，其中等效电阻R为等效电容C为而如果压电元件受到交变力的作用，f为,Ri为前置放大器的输入电阻，Ci为输入电容，Cc为电缆电容，Ra为传感器的绝缘电阻,式中Fm作用力的幅值。,若压电元件所用压电材料为压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即或式中Um电压幅值,若将放大器输入端的电压ui写成复数形式，则可得,的幅值为由上式可得输入电压与作用力之间的相位f为令为测量回路时间常数，令，则式若作用在压电元件上的力为静态力，即w0，则前置放大器的输入Uim为零。因为电荷就会通过电荷放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。这也就是从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。,当w时，则放大器输入端的电压幅值为在实际应用中认为w/w01（即w1），也就是作用力的变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim与频率无关。一般认为w/w03，可以近似地看作输入电压与作用力频率无关。这说明在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器的高频响应是很好的，这是压电传感器的优点之一。,根据电压灵敏度的定义，w/w01（即w1）时压电传感器的电压灵敏度为此式表明，要提高时间常数t，不能增加回路电容。增加回路电容使得压电传感器的灵敏度降低。电缆电容Cc及放大器输入电容Ci的存在使电压灵敏度减小。如果更换电缆，电缆电容Cc发生变化，灵敏度也随之变化。因此，更换或改变电缆时，务必对灵敏度进行校正。否则由于电缆电容Cc改变，将会引入测量误差。为此，通常要提高时间常数t，不能增大回路电容，常常是靠增大输入阻抗Ri，来提高时间常数。,上述电缆问题随着固态电子器件和集成电路的迅速发展已有了新的解决办法。那就是将一种电压放大器（阻抗变换器）直接装进传感器内部,使其一体化。由于该阻抗变换器充分靠近压电元件,引线非常短,引线电容几乎为零,这就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。,这种装入压电传感器内部的阻抗变换器电路如下图所示。第一级是自给栅偏压的MOS型场效应管构成的源极输出器,V3为V1和V2的有源负载。由于V2的集电极和发射极之间的动态电阻非常大,因此提高了放大器的输出电压。同时,由于电路具有很强的负反馈,所以放大器的增益非常稳定,以致几乎不受晶体管特性变化和电源波动的影响。这种一体化的石英压电传感器能直接输出高电平、低阻抗的信号（输出电压可达几伏）,因此,一般不需要再附加放大器,而用普通的同轴电缆就可以输出满足一定要求的信号。,装入压电传感器内部的超小型阻抗变换器电路,2.电荷放大器电荷放大器是压电传感器的另一种专用的前置放大器，实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比与输入电荷，因此电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，而输出阻抗小于100。若放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端的电位接近“地”电位。由于放大器的输入级采用场效应晶体管，保证其输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即,gi,gi,gi,由图（b）可得（用节点电压法）,Usc,Ua,Ui,而，代入可得,理想条件下，工作频率足够高，各导纳大于各电导时，即gi0、gc0、gf0，,且放大器的增益A足够大时，（1+A）Cf（Ca+Ci+Cc），上式表明，输出电压Usc正比于输入电荷q，它的比例系数为1/Cf，与工作频率无关。这就是电荷放大器的理想情况。压电元件本身的电容大小和电缆长短不影响或极少影响电荷放大器的输出，这是电荷放大器的优点。输出电压只取决于输入电荷q以及反馈电路的参数Cf及Rf。一般反馈电容Cf可选择的范围为100104pF。,当工作频率很低时,gf与jwCf值相当，gf（1+A）不能忽略；A仍足够大，则式变为其幅值为该式说明，工作频率很低时，输出电压Uscm不仅与表面电荷q有关，而且与参数Cf、gf和w有关，但与开环增益A无关。信号频率越小，Cf项越重要，当,这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应的下限截止频率为由上式可见，低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数Rf和Cf，反馈电阻Rf还有直流反馈功能。因为在电荷放大器中采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，故零漂较大而产生误差。为了减小零漂，使放大器工作稳定，应并联电阻Rf。,7.3压电元件的常用结构形式,7.3.1压电传感器中压电片的连接在压电传感器中,压电片一般不止一片,常常采用两片（或两片以上）粘结在一起。由于压电片受力后产生的电荷是有极性的,因此连接方式有两种,如下图所示。,图(a)为电气上的并联连接方式,两压电片的负电荷都集中在中间负电极上,正电荷在上、下两正电极上。这种情况相当于两只电容并联,其输出电容C为单片电容C的两倍,但输出电压U等于单片电压U,极板上的电荷量q等于单片电荷量q的两倍,即q=2q,U=U,C=2C,7.3.2并联方式,特点：输出电荷大，适合测慢速信号，以电荷为输出的场合。,当有n个压电片并联连接时：,图（b）为电气上的串联连接方式,正电荷集中在上极板,负电荷集中在下极板。在中间极板,上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。输出的总电荷q等于单片电荷q,输出电压U为单片电压U的两倍,总电容C为单片电容C的一半,即q=q,U=2U,7.3.3串联方式,特点：输出电压大，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合,当有n个压电片串联连接时：,压电片两种连接的特点及适用范围表,在制作、使用压电传感器时,要使压电片有一定的预应力。这是因为压电片在加工时即使研磨得很好,也难保证接触面的绝对平坦。如果没有足够的压力,就不能保证全面的均匀接触,因此,要事先给以预应力。但这个预应力不能太大,否则将影响压电传感器的灵敏度。压电传感器的灵敏度在出厂时作了标定,但随着使用时间的增加会有些变化,其主要原因是压电片性能有了变化。试验表明,压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加而减小。因此,为了保证传感器的测量精度,最好每隔半年进行一次灵敏度校正。石英晶体的长期稳定性很好,灵敏度基本上不变化,无需经常校正。,7.4.1压电式压力传感器1、工作原理当压力p作用在膜片上时，将在压电元件上下表面上产生电荷，电荷量与作用力成正比q=Fdij。由上式可知，输出电荷量与输入压力成正比关系，一般压电式压力传感器的线性较好。,7.4压电式传感器应用,2、灵敏系数压电式压力传感器的灵敏系数是指其输出电荷量（电荷或电压）与输入量（压力）的比值，也可以分别用电荷灵敏系数和电压灵敏系数来表示。电荷灵敏系数电压灵敏系数,由式知，电荷灵敏系数也可表示为由于Ua=q/Ca，所以电压灵敏系数也可下式表示由以上分析可知，为了提高压电式压力传感器的灵敏度，应选用压电系数大的压电材料做压电元件。此外也可以加大压电元件的受力面积，增加电荷量的办法来提高灵敏度。但是，增大受力面积不利于传感器的小型化。因此，一般采用多片压电元件叠加在一起，按电容的串联和并联连接方式来提高传感器的灵敏度。,3、应用压电式压力传感器的动态测量范围很宽，频响特性好，能测量准静态的压力和高频变化的动态压力。压电式压力传感器可测工作频率10105Hz的动态压力，幅值可达104109Pa。除此之外，还具有结构坚实、强度高、体积小、质量轻、耐高温、使用寿命长等优点。因此广泛应用于内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量。在航空上的应用更有它特殊的作用，例如在高超音速脉冲风洞中，用它来测量风洞的冲激波压力；在飞机上，用它来测量发动机燃烧室的压力。,压电式压力传感器在军事工业上的应用范围也很广。例如，用它来测量枪（炮）弹在膛中击发一瞬间的膛压变化，以及炮口的冲击波压力等。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的。,7.4.2压电式加速度传感器7.4.2.1压电加速度传感器的工作原理1.原理下图为压电加速度传感器的原理图。它由质量块、压电元件和支座组成。,测量时，将传感器支座与试件刚性固定在一起，使传感器的质量块与试件有相同的运动并受到与加速度方向相同的惯性力的作用。这样，质量块就有一个正比于加速度的交变力作用在压电元件上。压电元件两个表面上产生交变电荷（或电压）。当试件的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出电荷（或电压）正比于作用力。即q=dijF，由于,经专用放大器（电压放大器或电荷放大器）放大后即可测出试件的加速度。,2、灵敏系数由于传感器输出电荷量与试件的加速度成正比，所以压电式加速度传感器的电荷灵敏系数KQ与电压灵敏系数KU分别为,传感器的电荷灵系数和电压灵敏系数可以分别用目前惯用的单位pC/g和mV/g表示,当传感器的固有频率远大于振动体的工作频率时，即/0相当小时，,可见，传感器的电荷灵敏系数近似为一常数，基本不随工作频率变化，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t长达105s，可用来测准静态力学量。,3.频率响应,4、压电式加速度传感器的应用压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、质量轻、测量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点。它是测量振动和冲击的一种理想传感器。1用于小试件测试例如，在测量飞机构件（特别是薄板型小构件）的振动时，为了不使构件的振动失真，传感器的质量应尽可能地轻。早期采用的电动式加速度传感器，因其自身较重，给测量带来较大的误差。现在则采用压电式加速度传感器，能较为准确地测量出构件的振动。,2中高温环境下的振动测试随着耐高温的压电材料的研制成功，现在已研制出在400，甚至高达700的中高温环境下应用的压电式传感器。如航空发动机最大的振动一般发生在涡轮轴附近，这里的温度高达650以上，且留给传感器安装的空间又很小。采用压电式加速度传感器测量，它不仅耐高温、而且体积小，能安装在涡轮发动机轴承机匣上，能相当准确的测量出发动机的最大振动。现在许多机种的发动机振动检测系统中都采用了压电式加速度传感器。,3冲击和振动测试冲击和振动是自然界和生产过程中普遍存在的现象，几乎每一种机械设备和建筑都存在振动问题。由于振动现象和形成机理复杂，所以在观察、分析、研究机械动力系统产生振动的原因及规律时，除理论分析外，直接测量始终是一个重要的必不可少的手段。例如，机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度，振动剧烈时还会降低机床的使用性能。通过动态实验，采用压电式加速度传感器进行检测，模态分析，可充分了解各种机床的动态特性，找出机床产生受迫振动，爬行以及自激振动（颤振）的原因，从中寻找出防止和消除机床振动的方法和提高机床抗振性能的途径。还有如车辆道路模拟实验，火车环境振动测量分析，人体的动态特性研究等很多方面，压电式加速度传感器都有着广泛的应用。,7.4.3应用举例1.振动的监控、检测振动的监控、检测是压电传感器应用的典型。众所周知,振动存在于所有具有动力设备的各种工程或装置中,并成为这些工程设备的工作故障源以及工作情况监测信号源。目前,对这种振动的监控、检测,多数采用压电加速度传感器。下图为发电厂汽轮发电机工作情况（振动）监测系统工作示意图。,汽轮发电机工况监测系统,众多的压电加速度传感器分布在轴承等高速旋转的要害部位,并用螺栓刚性固定在振动体上。假如使用我们前面介绍过的加速度传感器,则当传感器受振动体的振动加速度时,质量块产生的惯性力F作用于压电元件上,从而产生电荷q输出。通常,这种传感器输出q与输入加速度成正比,因此,就不难求出加速度a。,传感器的电荷灵敏度为式中：d为压电常数；a为被测加速度；m为传感器中质量块的质量。由这个公式可见,通过选用较大的m和d就能提高灵敏度。但质量增大将引起传感器固有频率下降,频宽减小,且体积、重量增加。通常多采用较大压电常数的材料或多个压电片组合来提高灵敏度。,2.压电引信压电引信是一种利用钛酸钡或锆钛酸铅压电陶瓷的压电效应制成的军用弹丸启爆装置。它具有瞬发度高、安全可靠、不需要配置电源等特点,常应用于破甲弹上,对提高弹丸的破甲能力起着极其重要的作用。其结构如下图左所示。压电引信的原理电路如下图右所示。,压电引信原理电路,破甲弹上的压电引信的结构,整个引信由压电元件和启爆装置两部分组成。压电元件安装在弹丸的头部,启爆装置设置在弹丸的尾部,通过导线互相连接。,平时,电雷管E处于短路保险安全状态,压电元件即使受压,其产生的电荷也会通过电阻R泄放掉,不会使电雷管动作。弹丸一旦发射后,引信启爆装置即解除保险状态,开关S从a处断开与b接通,处于待发状态。当弹丸与装甲目标相遇时,强有力的碰撞力使压电元件产生电荷,经导线传递给电雷管使其启爆,并引起弹丸的爆炸,锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化,形成高温高速的金属流将坚硬的钢甲穿透,起到杀伤作用。,3.压电式料位测量系统压电式料位测量系统原理电路如下图所示。,压电式料位测量系统原理电路,由图可见,系统由振荡器、整流器、电压比较器及驱动器组成。振荡器是由运算放大器IC1和外围RC组成的一种常用自激方波振荡器。压电传感器接在运算放大器的反馈回路中。振荡器的振荡频率是压电晶体的自振频率,振荡信号经C2耦合到整流器。进入整流器的振荡信号经整流器整流,再经R7、R8分压及C3滤波后,得到一稳定的直流电压加在由IC2构成的电压比较器的同相端。在电压比较器的反相端加有由R9、R10和Rw分压器分压的参考电压。,压电晶体片作为物料的传感器被粘贴在一个壳体上。当没有物料接触到压电晶体片时,振荡器正常振荡,经调整Rw使电压比较器同相输入端的电压大于参考电压,故电压比较器输出为高电平,这个高电平使V导通。若在输出端与电源+US间接入负载,负载中将有电流流过。当物料升高接触到压电晶体片时,则振荡器停振,电压比较器同相端相对于参考电压变为低电平,电压比较器输出低电平,V截止,负载中无电流流过。显然,可以从系统输出端输出的电压或负载的动作上得知料位的变化情况。该系统实际上可起到料位开关的作用。,这种系统可方便地做成常闭型和常开型两种形式。常闭型是在振荡器起振时,让驱动器导通；常开型是在振荡器起振时,让驱动器截止。,4.压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如下图所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出