pzt 压电加速度传感器的设计

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1、PZT压电加速度传感器的设计1.1课题研究的目的和意义加速度传感器应用与设计的要求最初是由航空航天、机器人、军事领域中对物体控制等特殊领域中提出的。例如，在航空航天领域，由于各种运载工具和飞航系统在飞行过程中，来自自身推力系统产生的振动以及大气环境的影响而产生的振动直接影响系统的飞行姿态和运行轨迹。因此，必须随时监测其各类负载的振动状态。但是长期以来，我国各种大型运载工具和飞行器上测控用的加速度传感器都是单轴结构，只有一维功能，故无法提供全面的加速度信息，必须同时采用多个一维加速度传感器，这在一定程度上制约了对飞行器飞行姿

2、态测试和控制的精确性和有效性。显而易见，只能获取一维加速度分量与时获得测量处六维加速度信息是有着本质上的区别的。所以对多维加速度传感器的研究具有明显的科学技术价值与重要意义，因此对多维加速度传感器的研制不仅在机器人领域而且在其它领域仍然意义重大。多维加速度传感器的研制国内外还处于起步阶段，所以寻求一种新的途径进行多维加速度传感器的设计成为多维加速度传感器设计的一项重要课题。多维加速度传感器一般是由敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。除自源型传感器外，还需外加辅助电源，用框图表示如下。结合振动轮系统理论分析结论,采用如图

3、4所示的测量系统,选择某样机在施工现场测取系统的主要响应信号。由分离的加速度计、电荷放大器、数据采集测试仪组成振动测量系统,该系统主要技术指标如下通道数为8;采集方式为多通道并行;A/D分辨率为12bit;最高采样频率为1MHz;频率范围为015Hz～6kHz;低通滤波器的衰减斜率为-12dB/OCT;加速度测量范围为0～50m/s2;数据存储深度为任意(视硬盘空间而定)。图1.2总的设计框图可以看出，弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要，是传感

4、器设计的关键。由于磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了压电式加速度传感器，压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、耐高温、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。尤其是它没有活动部件，因此维护方便、使用寿命长，它是测量振动和冲击的一种较为理想的传感器。同时在压电式加速度传感器的基础上，增加积分电路，还可实现速度输出。同样，这种传感器也全部实现了内置，具有替换磁电式速度传感器的趋向。所以，将压电式加速度传感器应用于多维加速度传感器的设

5、计中，必然是今后多维加速度传感器发展的一种趋势，有着非常重要的理论意义和实用价值。其在飞机、汽车、船舶、桥梁、堤坝和建筑的振动和冲击测量中已得到了广泛的应用，尤其是在航空和宇航领域中的应用更有它的特殊地位。现在在航空发动机试车台上，以及许多机种的发动机振动监视系统中，已普遍采用压电式加速度传感器来测量振动。1.2加速度传感器加速度传感器是一种小型的惯性传感器，是许多控制系统和检测系统的主要测量工具。上世纪七十年代，随着微电子技术、半导体技术、传感器技术、计算机技术和微加工技术等新技术的应用和发展，加速度传感器，尤其是多维加

6、速度传感器由于测量信息丰富得到了迅猛的发展，广泛应用于军事武器中的惯性制导、卫星导航系统、汽车碰撞时对驾驶员及乘客的冲击情况、医学上对瘫痪病人的康复训练等领域。目前，多维加速度传感器的研制主要集中在二维和三维上，基于不同的研究机理有压电的、压阻的、电容的、谐振的、表面声波的等。各种微加工技术也在传感器中得到了应用，有去除硅体材料的体微细加工技术，在硅体表面添加材料的面微细加工技术等，可以形成设计传感器所需要的结构形状，如悬臂梁、双梁、四梁和双岛五梁等，使传感器的微型化成为可能，精度也得到很大的改善。但是尺度的微型化可能会降

7、低某些器件的物理效应，例如，流体通道的缩小，由于表面张力的作用，流体的压力无法将气泡排出。同时，批量生产降低的费用并不能弥补封装和检测阶段的花费，导致传感器的生产成本仍然居高不下。传感器的结构与信号处理电路系统的集成，方便了实际测量的同时增加了传感器系统的复杂度，使加工工艺复杂，而且过分的依赖于加工工艺，必然也增加了研究成本。2.1压电加速度传感器工作原理压电式加速度传感器又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体或压电陶瓷的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动

8、频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。目前，