压电式传感器测振动报告

利用压电式传感器进行振动测量,根据压电效应,当传感器和试件以相同频率振动时,可以产生正比于加速度的表面电荷。

压电式传感器应用设计报告

1.设计题目：压电式传感器测振动

2.设计要求：利用压电式传感器进行振动测量，根据压电效应，当传感器和试件以相同频率振动时，可以产生正比于加速度的表面电荷。

3.设计中所使用的传感器的原理：

压电式传感器（由惯性质量块和受压的压电片等组成）是一种机电换能器，所用的压电片(如天然石英、人工极化陶瓷等)在受到一定的机械荷载时，会在压电片的极化面上产生电荷，其电荷量与所受的载荷成正比。 当压电晶体片受力时，晶体的两表面上聚集等量的正、负电荷，由于晶体片的绝缘电阻很高，因此压电晶体片相当于一只平行板电容器，如图1所示。 其电容量为Ca A

d

晶体片上产生的电压量与作用力的关系为

ea ddddq 33F 33Fsin t Ca A A

式中： 为压电晶体的介电常数；A为晶体片(构成极板)的面积；d为晶

体片的厚度；d33为压电系数；F为沿晶轴施加的力。 图1 压电晶体内部等效图 压电式加速度计的晶体片确定后，d33、d、￡、A都是常数，则晶体片上产生的电压量与作用力成正比。 测量时，当加速度计受振动时，传感器与试件固定在一起感受相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，它的2个表面上就会产生交变电荷(电压)。而此交变电荷(电压)又与作用力成正比，因此交变电荷(电压)与试件的加速度成正比。这就是压电式加速度计能够将振动加速度转变成为电量进行测振的原理。

4.设计所需元器件：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。

5.设计的测量电路图：

图2

6.调试过程及结果分析：

1、 将压电传感器装在振动台面上。

2、 将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。

3、 将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端。将压电传感器实验模板电路输出端Vo1（如果增益不够大，需接可变增益放大器：Vo1，接R6， V02接低通滤波器）接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。

4、 合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。

5、 改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。

6、 用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。

利用压电式传感器进行振动测量,根据压电效应,当传感器和试件以相同频率振动时,可以产生正比于加速度的表面电荷。

结果分析：

图3 结果波形图

当振荡频率大约为12HZ时，产生共振。

7.思考题：

1. 压电陶瓷的工作原理与石英晶体的工作原理有何区别？

石英晶体整个晶体是中性的，受外力作用而变形时，没有体积变形压电效应，但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电陶瓷是一种多晶铁电体。原始的压电陶瓷材料并不具有压电性，必须在一定温度下做极化处理，才能使其呈现出压电性。所谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，而电畴在极化电场除去后基本保持不变，留下了很强的剩余极化。

当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。 在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数也会随时间发生变化—老化，铁电体老化将使压电效应减弱。

2.压电式传感器的测量电路有几种？

答：有两种形式：

1. 电压放大器（阻抗变换器）

C

uu

(a)(b)

（a） 放大器电路; （b） 等效电路

图4 压电传感器接放大器的等效电路 

2. 电荷放大器

C

图5 电荷放大器等效电路

电压放大器优点：高频响应非常好。缺点：不能测量静态量，电缆不能太长。

电荷放大器优点：允许使用很长电缆。缺点：价格高，电路复杂，调整比较困难。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fq7e.html