PZT压电加速度传感器的设计.doc

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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

2、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

3、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015Hz6kHz;低通滤波器的衰减斜率为- 12dB/OCT;加速度测量范围为050m/ 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

4、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

5、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

6、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

7、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，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。图 2-2 所示的压电式加速度计的结构是目前常用的压电式加速度计结构，

8、图中S 是弹簧，M 是质块，B 是基座，P 是压电元件，R 是夹持环。2-2a 是中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座 B 与测试对象连接时，如果基座 B 有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化， 易引起温度漂移。图 2-2c 为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图 2-2b 为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计

9、，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。 (a)中心安装压缩型 (b)环形剪切型 (c) 三角剪切型 图 2-2 压电式加速度传感器2.2 加速度计与试件的各种固定方法 其中图2-4中图 a 采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计，但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上 ，也可用于低温（40以下）的场合。手持探针测振方法在多点测试时

10、使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计 ，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法 31kHz，云母垫片 28kHz，涂簿蜡层 29kHz，手持法 2kHz，永久磁铁固定法 7kHz。图 2-4 加速度计的固定方法3.1 PZT 结构与压电原理 锆钛酸铅通常简称 PZT 陶瓷，这种压电陶瓷目前受到广泛应用。锆钛酸铅通常简称 PZT 陶瓷，属二元系，这种压电陶瓷目前受到广泛应用，它是 PbZrO3和P

11、bTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构，当锆钛比为 53/47 左右（即共晶相界附近）时，具有最强的压电性能PZT 是一种优良的压电材料，被广泛应用于传感器、敏感器件等领域。总体来说，有两种途径用来制造 PZT 微细结构。一种是对 PZT 陶瓷进行切割或刻蚀；另一种方法是将 PZT 粉末加工成形。前者是对 PZT 的直接加工，包括传统的的刀片切割，超声波切割，激光切割，和化学切割工艺。后者用 PZT 粉末直接加工，代表工艺是注射成形和失膜技术。3.2 PZT 压电效应 某些晶体在一定方向上施加机械应力发生形变，使介电体内正负电荷中心相对位移而极化，表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷，束缚电荷密

12、度与作用应力成正比正压电效应。对晶体在一定方向上施加电场，电场使介质内部正负电荷中心位移，则会产生形变，形变与电场强度成正比逆压电效4.1 传感器设计与制作4.1.1 压电片及引线的制作 将两个预先选好的 PZT 压电片并接。本试验采用 PZT 压电陶瓷片两片，为圆形片。将两片压电片的两个金属基质面背靠背合到一起用圆柱形中间开槽的绝缘橡胶圈包裹整个外圈一周使其紧密接触并用胶粘牢。在两个压电片的另外两个相对面上分别焊接一个多股细铜导线作为两个输出端，两个铜导线预先已穿入带屏蔽的绝缘套内，并从基座的侧壁打好的小孔内穿入侧壁内。4.1.2 基座的制作 基座采用铁质管材，高 42cm 外径 53cm

13、内径 36cm 圆柱形，上下底带有螺纹可调节圆柱形容器内壁的高度调节对质量块预加载荷。 在其侧壁根据底座旋入的深度及压电片的厚度用电钻按预先选好的位置，并根据带屏蔽的两股导线的粗细打一个孔，使导线刚好能穿过。4.1.3 质量块的制作 在压电片上放置一个质量快，质量块采用比重较大的金属铁块制成。利用车床加工成直径为 34cm 高为 20cm 的圆柱体，使质量块能与 PZT 压电片充分接触又不会与基座管壁接触。上下两个底面要用砂纸打平，并在下底面上用胶粘牢一个厚 2cm 直径为 1.5cm 的硬质片以保证质量块对压电片的可靠接触。4.1.4 组装 将压电片用环氧树脂胶粘牢在基座的下底上表面上，再将

14、其按罗纹旋入基座管内适当位置，同时使引线中的屏蔽线与管壁充分接触使屏蔽线被旋入罗扣中，用胶使导线粘牢基座的管壁上。放入质量块，拧入基座上底到适当的位置。如图 4-1 所示为 PZT 压电加速度传感器的结构示意图 基座 预紧螺母 质量块 图4-1 各元件的零件图如下图 4-2 所示为 PZT 压电加速度传感器的结构示意图 图4-2 装配示意图 本设计选用绝缘螺栓固定方式，原因是传感器与被测物体绝缘安装，这种安装方法可有效地防止地电场对测量的干扰。 图4-2.2 固定方案4.2 放大电路的设计与制作4.2.1 运算放大器简介 压电片发生震动会产生微弱的电信号，微弱的电信号在电路的控制中是不起任何作

15、用的。必须把微弱电信号加以放大，才能使后续的电路正常工作。利用运算放大器作信号放大信号的优越性主要表现在如下几方面：l、电路设计简单，组装调试方便。2、运算放大器的开环增益都很高。3、运算放大器的输入阻抗高，失调和温漂都很小。所以非常适合处理各种微弱信号的放大。4、由运算放大器构成的放大单元体积小、功耗低、寿命长，并因其集成程度高，大大减少了整机使用的元器件数，使整机的可靠性显著提高。故而本电路采用由 LM741 运算放大器组成的放大电路，使微弱的电信号得到放大。放大器最初被开发的目的是运用于类比计算机之运算电路，其内部为复杂的积体电路(Integrated Circuit, IC)，亦即在单

16、一电子元件中整合了许多电晶体与二极体。运算放大器属于使用回授电路进行运算的高放大倍率型放大器，其放大倍率完全由外界元件所控制，透过外接电路或电阻的搭配，即可决定增益（即放大倍率）大小。下图4-3为运算放大器于电路中的表示符号，可看出其包含两个输入端，其中（）端为非反相(Non-Inverting)端，而（）端为反相(Inverting)端，运算放大器的作动与此二输入端差值有关，此差值称为差动输入。通常放大器的理想增益为无穷大，实际使用时亦往往相当高（可放大至 105 或 106 倍），故差动输入跟增益后输出比较起来几乎等于零。 图4-3 差动运算放大器表示符号4.2.2 741 运算放大器使用

17、说明 1、作动方式与原理741 放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压讯号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由12Vdc 至18Vdc不等，而一般使用15Vdc 的电压。741 运算放大器的外型与接脚配置分别如图 4-4、4-5 所示。 图 4-4 运算放大器外型图 图 4-5 放大器输出入脚位图741 运算放大器使用时需于 7、4 脚位供应一对同等大小的正负电源电压Vdc与Vdc，一旦于 2、3 脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯 Op 放大器具有一特色，其输出电压

18、值决不会大于正电源电压Vdc 或小于负电源电压Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压Vdc 至Vdc 之范围，其值会等于Vdc 或Vdc，故一般运算放大器输出电压均具有如图 4-6 之特性曲线，输出电压于到达Vdc 和Vdc 后会呈现饱和现象。 图 4-6 放大器输出入电压关系图1. 电源供应 电源供应器本身具备两组外接插孔以提供两组电源输出，如图 4.2.5所示，当需要以一正一负方式输出电压时，可利用电源供应器上 Tracking 键之功能。例如欲产生15Vdc 电压，需先行将两组电源输出中其中一组之正端接上另一组之负端，剩下未接的两个输出端便为电源输出端，之后将电源供应器电源打开并将

19、仪表板上 Tracking 键按下，再由板面上调整旋钮以调整出所需之15Vdc 电压。于调整时已可发现，尽管只旋转其中一组电源输出调整旋钮，但两组电压输出值会同时改变且显示数字相同，只是一端为正，一端为负，此时即可得到一端正值、一端负值，且同为 15Vdc 之输出，其原理类似拿两个电池头尾相接串联的情况。4.2.3 本文所采用 741 放大器的设计 实际使用运算放大器时，因各类感测器输出电压变化极大，放大后电压很难正好落在放大器输出电压范围内，且运算放大器输入电源电压有其限制之承受范围限制，故需在电路上变化或补正。另外放大器放大倍率亦不一定正好为所需倍率，故需外接不同阻值电阻来解决。以下是本文

20、所选用的放大器应用电路介绍及其电路图。图 4-8 是能够将两个输入电压 V1、V2 之间的电压差值放大的电路，同样是利用将输出电压引回反相输入端的负回授电路，可以得到 R1/R2 倍的放大倍率。因为此电路之 b 点电位是由 V2 决定，所以 a 点与 b 点会有相同的输入电压，输出电压 Vo 是 VR1 与 Vb 之和，故整理得输出电压为 图4-8 差动放大器电路图 本论文通过用 PZT 压电陶瓷片作为弹性体，用外接放大电路 741 作为电压放大器，并将已放大电压信号输送给数字电压显示器。5.1、基座压缩型的优缺点 这种结构形式也称周边压缩型。整个加速度传感器主要是有基座、压电转换元件和预紧螺

21、母组成。惯性质量和压电转换元件被预紧在基座上。这种传感器结构简单，工作可靠，可以做到高灵敏度和高频率度响应。 但是它也有明显的不足之处，由基座、惯性质量块、压电元件组成的质量弹性系统，其预紧力是通过外壁施加上去的。这样一来，外界条件的变化（如湿度、声音变化）都会影响到对压电转换元件的预紧力，使干扰信号附加到压电转换元件上，造成不希望有的非振动信号输出，增加了测试误差。发展前景 压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速

22、度传感器，都是压电式的。由此可见，质量优良的压电式加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有其独到之处。目前，他的应用范围广泛，约占目前所使用的各种加速度传感器总数的80%.压电式加速度传感器量程大、频带宽、体积小、质量轻、安装简单，并能使用于各种恶劣的环境。由此可见，本设计的压电式传感器应用前景很好。5.2、压电式传感器的误差分析1） 环境温度的影响 环境温度的变化对压电材料的压电系数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化。人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英的大的多，当温度低于400C时，其压电系数和介电常数都很稳定。2） 湿度的影响 环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。

23、如果其长期在高湿度的环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。因此本设计的传感器尽量不要工作在高湿度的环境下。5.3、设计心得与改进措施： 本文所采用 PZT 为弹性体的加速度传感器的设计原理是合理的，传感器的制作方案是可行的。但是由于加工条件和检测手段的限制，加速度传感器的静态特性还不够理想。进一步改进的方法是采用性能更好的 PZT 陶瓷压电片，提高传感器制作加工工艺的精度，优化设计方案。 参考文献 1 李富伟 , 浅谈传感器的现状以及发展趋势，可编程控制器与工厂自动化1994-2008 :28-322余瑞芳.传感器原理M.第二版.航天工业出版社，1995:07-593王洪业.传感器工程

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