压电式传感器应用

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1、压电式压力传感器原理及应用王佳 050410140 摘要： 压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也 可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化 和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 本文主要讨论压电式压力传感器原理及压电式压力传感器的光纤传输技术应用 在内弹道试验研究中的使用。关键词：压电式传感器压力内弹道试验压电式 压力传感器（ piezoelectric type pressure transducer ）1.0 压电效应 某些离子型晶体电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等）沿着某一个方向受力

2、而发生机械变形（压缩或伸长）时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会 产生电荷。当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效 应”。 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。1.1 压电式压 力传感器的特点压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传 感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经 电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压 电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等（见 压电式压力传感器、加速度计）。 压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应 将被测

3、压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的 电荷量与作用力之间呈线性关系：Q=kSp式中Q为电荷量；k为压电常数；S为作用面积；p为压力。通过测量电荷量 可知被测压力大小。本体电傲压电转 换元件、圧电弍压力 压电特 传爲舉原理换元件压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同，不同 的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力，再传给压电元件。为了保证静态 特性及稳定性，通常多采用压电晶片并联。在压电式压力传感器中常用的压电材 料有石英晶体和压电陶瓷，其中石英晶体应用得最为广泛。下面是采用石英晶片 的膜片式压电压力传感器图。1-绝緣套2-后座二垫圈牛外壳工

4、石英晶片 &导电片工石英晶片g 一怯力块g 一膜片1.2压电压力传感器测量电路1.2.1除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体 做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也 有用高分子材 料（如聚偏二氟乙稀）或复合材料的合成膜的。更换压电元件 可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器 时，可以用将多个压电元件 并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压 电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。1.2.2由于压电式传感器的输出电信号很微 弱，通常先把传感器信号先输 入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大 检波电路

5、再将 信号输入到指示仪表或记录器中。（其中，测量电路的关键在 于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗的微弱电信号。前置放大器 器，其输出电压与输入电压 板反馈的电荷放大器，其输 路的电缆长度变化的影响不输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出 电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大 （即传感器的输出）成正比；另一种是用带电容 出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电广泛。图（a）电压等效大，几乎可以忽略 不计，故而电荷放大器应用日益 电路，图（b）简化电路：Ri(b)其中，ui为放大器输入电压；c = c + ccaR Ra iR + Raiu = q / caa

6、如果压电传感 器受力为F = Fmsint则在压电元件上产生的电压为sin w t = U sin w tm式中 u -压电元件输出电压幅值u二d*f /c m m m a d - 压电系数 。而在放大器输入端形成的电压为：R 1jC1 Rj c1 R + - j cdF1 + j o R (C + C ) ma的幅值u im为:uimd-F Rv1 + 2 R 2( C + C + C )2aci当 R (C + C + C) 1时，放大器的输入电压为：u二dFacii C + C + C ica 电压放大器的 功能是将压电传感器的高输出阻 抗变为较低阻抗， 并将压电式传感器的微弱电压信号放

7、大，因此，也称为阻抗变换器 下图为电荷放大器：如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为Qi=Q-Qf , 而UUQ = (U - U )C = (- - U )C = -(1 + ACfi0 fA0 fA f式中，A为开环放大系数。所以有： UUU 0 (C + C + C ) = Q - (1 + A) 0 C = Q + (1 + A) 0 CA i c aA fA f故放大器的输 出电压为 U =- AQ0 C +C +C +(1+ A)Ci c af当A1，而(l+A)Cf c + C + C 时，放大器输出电压可以表示为：ica0C电荷放大器常作为压电传感器的输入

8、电路，由一个反馈电容Cf和高增益运 算放大器构成 。在电荷放大器中，输出电压 Uo 与连接电缆电容 Cc 无关， 而与电荷量 Q 成正比，这是 电荷放大器的突出优点，这对信 号的测量很方 便，因此，电 荷放大器被广泛地应用于压电传 感器的测量电路中。1.3压电式压力 传感器的光纤传 输技术应用在内 弹道试验研究中 的使用1.3.1 原理 与组成 内弹道试验研究的对象主要是炮管内的压力、炮口速度和作用时间(击发 底火后到弹丸 通过身管所需要的时间 )。最主要的测量对象是压力，因为只 有压力能表征内弹道的循环特性，从压力曲线可以得到火药的火药力、压 力冲量及 火药的 燃速等 重要参 量。火 药气体

9、 压力首 先从零 开始迅 速地增加到某一个最大 峰值，然后，下降。整个过程的时间只有千 分之几秒，而且， 是一个非 周期性 的单次 脉冲过 程。因 此，测 量这种 瞬变动 态参数 ，压电式势。 放大器、模数转换器及电光 为电荷量、电荷量转换为模 经过电光转换，以光信号进 换器组成，通过 2 个转换过 压信号后，复原出模拟电压将火药气体压力的变化转换压力传感器的 宽频响、高动态性能具有明显优 光纤传输测压 方式的现场采集发送模块由电荷 转换器组成， 完成 4 个转换过程：压力量转换 拟电压量、模 拟电压量转换为数字电压量，再 行传输。远程 接收模块由光电转换器、数模转 程：光电转换 和数模转换，

10、将光信号转换为电 信号输出至数 据采集系统。压电式压力传 感器利用石英晶体的压电效应， 为电荷量的变 化，即 Q=Kp（ 1） 式中Q为电荷量；K为压电式压力传感器灵敏度；P为被测火药气体压力。电荷放大器将 电荷量的变化转换为电压幅值的 变化Q=U/A （2）式中 Q 为电荷 量； A 为电荷放 大器灵敏度； U 为数据采集系统所测得的电压 值。 由（1），（2）两式可得 到被测火药气体压力的计算公式p=U/AK （3）1.3.2 传感器选择及 器件选（一）压电式压力传感器：选用瑞士Kistier公司的6215型石英压力传感器。利用石英晶体的压电效 应，可以把火 药气 体压 力 的 变化转换为

11、 电 荷 量的 变化，其测 量 范围为 0-600 MPa,灵敏度为14 pC/MPa,固有频率240 kHz ；上升时间W 1“ S.（二）现场采 集发送模块：现场采集发送模块包括电荷放大器、A/D转换器和光发射器，由电池供电 A/D转换器将电荷放大器输出 的模拟电压信号转换为14位数字电平信号，经 并串转换移位 电路，由光发射器完成电光转换，通过光纤传输 到接收部分。（三）光纤：光纤是强电 磁场环境中 信号传输的 理想介质。 光纤接头采用 用 户连接器 （subscriber connector , SC）光纤 连接器（optical fiber connector ）,螺纹连接具有 良好的电磁屏蔽特性。（四）光接收 机：光接收机完成光电转换器和D/A转换器功能，恢复出原始的模拟信号，输 出至数据采集 系统。1.3.3结论光纤传输 测压方 式能有 效切断 电磁干 扰藕合 到测压 通路的 途径， 避免了各 种脉冲干 扰给压 力测量 带来的 影响， 提高了 压力测 量的抗 干扰性 和测量精 度。同时，这种测试方 法能将内弹道最主要的 3个参量（压力、炮口速度和 作用时间 ）的关 系在一 个时间 轴上表 征出来 ，为开 展电热 炮内弹 道机理和 试验研究提供 了较好的试验方法。