压电式传感器的应用

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1、“现代传感器应用技术”第二次作业题目：压电式传感器的应用姓名：班级：学号：授课老师：4压电式传感器的应用压电式压力传感器（piezoelectrictypepressuretransducer）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.压电压力传感器测量电路1.1.1除在校准用的标准压力

2、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。1.1.2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

3、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输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。图（a）电压等效电路，图(b)简化电路：(a)(b)其中，ui为放大器输入电压；;;如果压电传感器受力为F=Fmsinωt则在压电元件上产生的电压为4式中－压电元件

4、输出电压幅值d－压电系数。而在放大器输入端形成的电压为:的幅值为:当时，放大器的输入电压为: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,而式中，A为开环放大系数。所以有：故放大器的输出电压为当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示为:电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，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

5、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。1.2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1.2.1原理与组成4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

6、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，压电式压力传感器的宽频响、高动态性能具有明显优势。光纤传输测压方式的现场采集发送模块由电荷放大器、模数转换器及电光转换器组成，完成4个转换过程：压力量转换为电荷量、电荷量转换为模拟电压量、模拟电压量转换为数字电压量，再经过电光转换，以光信号进行传输。远程接收模块由光电转换器、数模转换器组成，通过2个转换过程：光电转换和数模转换，将光信号转换为电压信号后，复原出模拟电压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，将火药气体压力的变化转换为电荷

7、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)1.2.2 传感器选择及器件选（一） 压电式压力传感器：选用瑞士Kistler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电荷量的变化，其测量范围为0-600 MPa,灵敏度为14 pC/

8、MPa,固有频率＞240 kHz ；上升时间≤1μS.（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