压电式加速度传感器的使用

摘要现代工业和自动化生产过程中，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的动态测试问题。

所谓动态测试是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。

它以动态信号为特征，研究了测试系统的动态特性问题。

而动态测试中振动和冲击的精确测量又显得尤其重要。

振动与冲击测量的核心是传感器，对于冲击和振动信号的获取，最常见的是用压电加速度传感器。

世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器就是压电式加速度传感器。

由此可见，质量优良的压电加速度传感器在精度、长时间稳定性等方面都是有独到之处的。

压电加速度传感器可以看作是一个能产生电荷的高内阻发电元件。

但是此电荷量很小，不能用一般的测量电路来进行测量，因为一般的测量电路的输入阻抗总是较小的，压电片上的电荷通过测量电路时会被输入电阻迅速泄漏引入测量误差，影响测量效果。

如果压电加速度传感器没有与之配套的测量电路一起配合使用，那么压电加速度传感器的广泛应用就会受到非常大的限制。

因此，与之配套的测量电路的研究及其硬件实现就显得非常重要。

目前最常用的压电加速度传感器的测量电路就是电荷放大器，它能得到与输入电荷成比例的电压输出。

它的特点之一就是使传感器的灵敏度和电缆长度无关，电缆可长达几千米，而在被测对象附近只有一个小的传感器。

这对使用者来说非常方便。

但是现在的电荷放大器电路都比较复杂，机器价格都比较高，性价比不是很理想，这些因素都严重影响了压电加速度传感器的广泛使用，所以研制一种性价比较高的、实用的电荷放大器就非常的有必要。

本文针对上述情况，对传感器的测量电路做了深入的研究工作，分析了各种测量电路的特点，提出采用一种集成芯片来取代大量分离元件实现电荷转换电路的设想，通过实验验证本设计的可行性和可靠性，对存在的干扰信号做了细致的理论分析，并采取相关办法进行解决，最后和标准电荷放大器的性能进行对比。

实验结果表明本设计是可行的。

关键词:压电加速度传感器测量电路电荷放大器 TLO8AbstractModern industrial and automation of the production process, non-electric physical measurement and control technology will involve a large number of Dynamic test. The so-called dynamic testing means to determine the amount of the instantaneous value and its value varies with time is measured for the continuous measurement of the process variable. It is characterized by dynamic signal, the test system Dynamic characteristics. Dynamic test accurate measurement of vibration and shock is particularly important. Vibration and Chong Chance measured core is a sensor for shock and vibration signal acquisition, the most common is to use a piezoelectric accelerometer Sensors. The world as a value transfer standards high and medium frequency reference standard acceleration sensor Piezoelectric acceleration sensor. Thus, the excellent quality of the piezoelectric acceleration sensor accuracy, long Time stability is something unique to offer. The piezoelectric acceleration sensor can be regarded as a generating High internal resistance of the charge generating components. However, this very small amount of electric charge, and not use the measuring circuit to be measured, Usually the input impedance of the measuring circuit are always smaller, when the charge on the piezoelectric sheet by the measurement circuit Is input resistor leak rapidly introduce measurement errors affecting the measurement results. If the piezoelectric acceleration sensor is not The ancillary measurement circuit used in conjunction with a wide range of applications of piezoelectric accelerometer would be Very large limitations. Therefore, the the accompanying measurement circuit and its hardware implementation is very important.Currently, the most commonly used piezoelectric acceleration sensor measuring circuit is a charge amplifier can be obtained input power Charge proportional to the voltage output. One of its features is to makethe sensitivity of the sensor and cable regardless of the length of the electrical The cable can be up to several kilometers, while in the vicinity of the object to be measured, only a small sensor. This user is very Convenient. But now the charge amplifier circuit is more complex, higher than the price of the machine, the price is not very satisfactory, these factors have a serious impact on the widespread use of the piezoelectric acceleration sensor, and so develop a higher bid, practical charge amplifier is very necessary. For the above, the sensor The measuring circuit to do a thorough research work, the analysis of the characteristics of the various measurement circuit is proposed to adopt a set Into the chip to replace a large number of separate components to achieve the charge conversion circuit is envisaged that the present design can be verified by experiment Feasibility and reliability, a detailed theoretical analysis of the existence of the interference signal, and take approach solutionSummary, the final performance of the amplifier and the standard charge of contrast. The experimental results indicate that the present design is feasible.Key words:Piezoelectric acceleration sensor measuring circuit charge amplifier TLO8图表清单图1-1 测试系统的组成------------------------- 图1-2 压电加速度传感器动态测量系统----------- 图2-1 电桥电路-------------------------------- 图2-2 四个桥臂同时工作的直流电桥------------- 图2-3 两个相邻臂工作的电桥---------------图2-4 两个相对臂工作的电桥------------------ 图2-5 变压器式电桥电路图2-6 紧祸合电感臂电桥图2-7 紧祸合电感臂四端网络和T型网路图2-8 紧祸合电感臂等效电路图2-9 电容式传感器的等效电路图2-10 双T二极管交流电桥图2-11 双T二极管电桥等效电路图2-12 运算放大器式电路图2-13 调频一鉴频电路原理图图3-1 晶体的压电效应图3-2 压电加速度传感器原理图图3-3 作用于压电元件两边的力图3-4 压电加速度传感器的等效电路图3-5 压电加速度传感器测试系统等效电路图3-6 压电加速度传感器简化电路图3-7 简化后的压电加速度传感器电压等效电路图3-8 电荷放大器示意图图4-1 传感器与电荷放大器连接的等效电路图图4-2 电荷放大器电压源实际等效测量电路图4-3 电荷放大器等效电路图图4-4 输入电缆影响的等效电路图4-5 电荷放大器框图图4-6 电荷转换部分电路图4-7 干扰源等效电路图图4-8 适调放大电路原理图4-9 电荷转换电路及适调放大电路图4-10 有源滤波电路原理图图4-11 无源滤波器原理图图4-12 有源滤波器电流回路图图4-13 高通滤波和同相放大电路原理图图4-14 过载指示电路原理图图4-15 过载电路输出特性图4-16 稳压电源电路图4-17 本电荷放大器的主要电路图4-18 ICL7135和ICM7212的接口电路图图5-1 实验装置框图图5-2 实验波形和标准电荷放大器输出波形图5-3 有工频干扰下的信号频谱图5-4 标准电荷放大器TS5865的信号频谱图5-5 屏蔽工频干扰后的信号频谱图5-6 未加低通滤波时本设计的信号频谱图5-7 标准电荷放大器低通上限截止频率为lOK Hz时的信号频谱图5-8 加了1K Hz有源低通滤波器后本设计的信号频谱图5-9 标准电荷放大器低通上限截止频率为1KHz时的信号频谱图5-10 都有1KHz低通滤波的两路信号波形图5-11 标准电荷放大器的直流分量分析图5-12 本设计未加高通滤波器时信号图5-13 本设计加高通滤波器后的信号表1 在不同加速度下本设计和TS5865的电压值比较表2 在不同频率下本设计和标准电荷放大器的灵敏度比值1 前言1. 1 压电加速度传感器在动态测试中的意义随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域，而且也正在逐步引入人们的日常生活中。

压电式压力传感器原理及应用自动化研1302班王民军压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。

而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也叫压电式压电传感器。

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。

一、压电式传感器的工作原理1、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。

2、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=k*S*p。

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。

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。

二、压电压力传感器等效电路和测量电路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。

压电加速度传感器原理压电加速度传感器是一种利用压电效应来测量加速度的传感器。

压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到外力作用时，会产生电荷分布不均匀的现象，从而产生电压。

压电传感器利用这一效应来测量加速度，具有灵敏度高、频率响应广、体积小、重量轻等优点，广泛应用于汽车、航空航天、工业生产等领域。

压电加速度传感器的工作原理是利用压电材料的压电效应来感知外界的加速度变化。

压电材料在受到外力作用时会产生电荷分布不均匀的现象，从而产生电压信号。

传感器中包含压电材料的敏感部分，当受到加速度作用时，压电材料产生电荷分布不均匀的变化，从而产生电压信号。

通过测量这一电压信号的变化，就可以得到加速度的大小。

压电材料通常是一些晶体或陶瓷材料，比如氧化锆、铅钛酸锆、硼酸锂等。

这些材料有一个共同的特点，就是在受到外力作用时会产生电荷分布不均匀的现象，从而产生电压信号。

这种压电效应能够使得压电加速度传感器对加速度变化产生很高的灵敏度，同时具有很宽的频率响应范围。

压电加速度传感器通常由压电材料、传感器壳体、导电粘合剂、电缆和接头等部分组成。

压电材料通常被固定在传感器壳体中，然后通过导电粘合剂和电缆连接到外部的电路中。

当受到加速度作用时，压电材料产生电荷分布不均匀的变化，从而产生电压信号，通过电缆和接头传输到外部的电路中进行处理。

压电加速度传感器的灵敏度主要取决于压电材料的性能和传感器的结构设计。

选择合适的压电材料、优化传感器的结构设计、合理布置传感器的电路等都能够提高传感器的灵敏度。

此外，压电加速度传感器还可以通过外部的放大电路和滤波电路来进一步提高其灵敏度和信噪比。

压电加速度传感器在实际应用中具有一定的局限性。

比如，在温度变化较大的环境中，压电材料的性能会发生变化，从而影响传感器的测量精度。

此外，在高加速度、高频率振动等特殊环境中，传感器也会受到一定的限制。

因此，在实际应用中需要根据具体的情况选择合适的压电加速度传感器，并进行必要的补偿和调校。

实验六 压电加速度和电容传感器实验一、压电加速度传感器实验实验目的：了解压电加速度传感器的原理、结构及应用。

实验准备：预习实验仪器和设备：低频振荡器（激振信号）、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电加速度传感器、双踪示波器。

实验原理：质量块在加速度的作用下产生惯性力，惯性力作用于压电传感器则生成电荷。

实验注意事项：1．双平行梁振动时应无碰撞现象，否则将严重影响输出波形。

必要时可松开梁的固定端，小心调整一个位置再试。

2．低频振荡器的幅度应适当，避免失真。

实验内容：（1）观察装于双平行梁上的压电加速度传感器的结构，它主要由压电陶瓷片及惯性质量块组成。

（2）低频振荡器的输出（V0、GND）接双平行梁的激振器Ⅱ。

（3）低频振荡器的输出（V0）接移相器，移相器的输出接相敏检波器的控制端5（AC）。

（4）将压电加速度传感器的输出接到电荷放大器的输入端，引线要尽量地短，尽可能用屏蔽线。

然后将电荷放大器的输出接到相敏检波器，通过低通滤波接至电压表的输入端，同时在电荷放大器的输出端用示波器观察输出波形（如图14所示）。

（5）卸去测微头。

（6）开启电源，观察双平行梁是否振动，如无，检查低频振荡器的输出是否正确接到激振器Ⅱ上，适当调节低频振荡器的幅度，不宜过大。

（7）用示波器的观察电荷放大器的输出波形和电压表的读数（需要按前面的方法调移相器）。

（8）改变频率，观察输出波形的变化和电压表的读数。

（9）用手轻击试验台，观察输出波形的变化。

可见敲击时输出波形会产生 ，试解释原因。

二、电容传感器实验实验目的：了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。

实验准备：预习实验仪器和设备：电容传感器、电容变换器、差动放大器、F/V表、低通滤波器、激振器、示波器。

实验内容：（1）差动放大器调零，按图14接线。

（2）差动放大器增益旋钮置于中间，F/V表打到2V档，调节测微头使输出为零。

(3)旋动测微头，每次位移0.5mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。

压电式加速度传感器振动传感器加速度非接触型速度位移压电式（几Hz –几10kHz ）电动式（DC –300Hz ）应变式（DC –几kHz ）半导体式（DC –1kHz ）电动式（几Hz –几kHz ）应变式（DC –几10Hz ）耐压：6kg/cm2(0.59MPa)外形尺寸（mm）9HEXx10.5Hφ10.0x5.5Hφ6.5x4.2Hφ3.6x3.3Hφ3.5x2.5H尺寸（mm）（不含接头）2.7g2.3g0.8g0.2g0.2g重量（大约）钛钛钛钛钛外壳材料微小型接头（M3 螺纹）微小型接头（M3 螺纹）微小型接头（M3 螺纹）小型接头（10-32 UNF螺纹）小型接头（10-32 UNF螺纹）接头选件选件选件3m3m电缆外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地接地200,000100,000100,00050,000100,000抗冲击能力（峰值）（m/s2 ）±100,000±10,000±10,000±10,000±100,000使用峰值（m/s2 ）60kHz35kHz40kHz60kHz60kHz共振频率（大约）fc~30,000Hzfc~15,000Hzfc~18,000Hzfc~20,000Hzfc~20,000Hz频率响应（+/-3dB）-20 ~ 80℃-50 ~ 160℃-50 ~ 160℃-50 ~ 160℃-50 ~ 160℃使用温度1,000±20%700±20%640±20%580±20%580±20%电容（pF）5%5%5%5%5%横向灵敏度（最大值）0.3±20%0.35±20%0.17±20%0.0459±15%0.035±20%灵敏度（pC/m/s2）601613612611W611608T:上部接头外形尺寸（mm）8Wx5.5Hx7D17Wx7Hx9D14HEXx32H14HEXx25H14HEXx30H(608)14HEXx25H(608T)尺寸（mm ）（不含接头）1.2g 3.2g 43g 23g 29g (608)25g (608T)重量（大约）钛钛不锈钢SUS303不锈钢SUS303不锈钢SUS303外壳材料小型接头（10-32 UNF 螺纹）微小型接头（M3 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）接头3m 选件选件选件选件电缆容器接地容器接地容器接地容器接地容器接地接地50,00020,00020,00010,00032,000抗冲击能力（峰值）（m/s 2 ）±25,000±10,000±10,000±5,000±16,000使用峰值（m/s 2 ）60kHz 40kHz 20kHz 25kHz 30kHz 共振频率（大约）fc ~20,000Hz fc ~20,000Hz fc ~8,000Hz fc ~11,000Hz fc ~12,000Hz 频率响应（+/-3dB ）-50 ~ 160℃-20 ~ 160℃-20 ~ 140℃-20 ~ 120℃-20 ~ 140℃使用温度560±20%700±20%1,000±20%1,000±20%1,000±20%电容（pF ）5%5%5%5%5%横向灵敏度（最大值）0.04±20%0.16±20%10±10%5±20%5±10%灵敏度（pC/m/s 2）611ZS 612ZS 607608LF 608/608T三轴三轴1k Ω1kΩ300Ω300Ω100Ω或小于输出抗阻（大约）外形尺寸（mm ）14.2Wx14.2Hx14.2D14.2Wx14.2Hx14.2D17HEXx34H14HEXx28Hφ7.9x11.9H尺寸（mm ）（不含接头）11.1g 11.1g 46g 21g 2g 重量（大约）钛钛不锈钢SUS303不锈钢SUS303钛外壳材料DR-4S-4DR-4S-4小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）小型接头（10-32 UNF 螺纹）接头选件选件选件选件φ1.0低噪声电缆60cm 电缆外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地外壳接地接地30,00030,00010,00010,000100,000抗冲击能力（峰值）（m/s 2 ）±4,000±400±150±1,500±3,600使用峰值（m/s 2 ）35kHz 35kHz 30kHz 40kHz 60kHz 共振频率（大约） 1 ~8,000Hz 1 ~8,000Hz 3 ~14,000Hz 3 ~23,000Hz 2 ~20,000Hz 频率响应（+/-3dB ）-50 ~ 110℃-50 ~ 110℃-40 ~ 110℃-40 ~ 110℃-50 ~ 105℃使用温度40μVrms 40μVrms 20μVrms 20μVrms 20μVrms 本底噪声（最大值）5%5%5%5%5%横向灵敏度（最大值）1±10%10±10%10±15%1.0±15%1.0±10%灵敏度（pC/m/s 2）7240Z/7240ZT 724Z/724ZT 707708702FB/ST三轴724ZT: TEDS 功能FB: 平底型ST: 螺栓型三轴7240ZT: TEDS 功能fc~20,0000.0425,000611ZSfc~20,0000.1610,000切变612ZS小型，三轴fc~8,0001010,000压缩607高灵敏度fc~11,00055,000608LF低频率fc~12,000516,000608/608T通用型fc~30,0000.3100,000601小型fc~15,0000.3510,000613小型fc~18,0000.1710,000612小型fc~20,0000.045910,000611W防水型fc~20,0000.035100,000切变611小型频率响应(Hz)（+/-3dB）灵敏度（pC/m/s2）使用峰值+/-（m/s2）传感构造型号特性1 ~8,00013,6007240ZT三轴,TEDS1 ~8,00014,0007240Z三轴1 ~8,00010360724ZT三轴,TEDS21 ~24V1 ~8,00010400切变724Z三轴3 ~14,00010150707高灵敏度3 ~23,00011,500708通用型15 ~25V0.5 ~5mA2 ~20,00013,600压缩702FB/ST小型电压恒定电流频率响应(Hz)（+/-3dB）灵敏度（pC/m/s2）使用峰值+/-（m/s2）传感构造型号特性插头转换器（10-32UNF ）-BNCCA-034延长电缆连接器（延长电缆用）CA-033小型插头（10-32UNF 螺纹）CN-032小型插座（10-32UNF 螺纹）CN-031外形说明型号A=φ24, B=14,C=M6(P=1)x4磁铁MG-707A=4, B=M6绝缘双头螺栓（260℃）IS-707HA=φ17, B=M6(P=1), C=21绝缘双头螺栓（120℃）IS-707A=φ11, B=M6(P=1), C=14绝缘双头螺栓（120℃）IS-708外形外形尺寸（mm ）说明型号3.3m3.3m 3m 1.5m 订货指定长度3m 3m 1.5m 1.5m 订货指定长度订货指定长度长度两端小型接头CL-207两端小型接头CL-206一端小型接头，一端BNC 接头CL-206B 一端小型接头，一端BNC 接头CL-207B 601, 612, 613, 612ZS,611ZS 一端小型接头，一端微小型接头CL-600一端小型接头，一端微小型接头CL-601一端小型接头，一端微小型接头CL-602一端DP-4S-1(4针), 一端3个BNC 接头CL-714B724Z/7240Z 系列一端DP-4S-1(4针), 一端3个小型接头CL-714M 一端小型接头，一端BNC 接头CL-200B 608, 608T, 608LF, 708,707两端小型接头CL-200对应压电加速传感器型号连接器型号电荷输出电压输出LX-10/20SA-611600系列低噪声电缆同轴电缆电荷输出型加速度传感器电荷放大器数据记录仪电荷输出电压输出LX-10/20 600系列低噪声电缆同轴电缆电荷输出型加速度传感器转换器数据记录仪带AR-LXPAx型电压输出式加速度传感器用输入放大器CC-10电压输出LX-10/20700系列可使用同轴电缆传感器数据记录仪带AR-LXPAx型约440g （不含干电池）重量约48W x 110H x 110D (mm) （不包含突起部）外形尺寸干电池（LR6碱性干电池4个），电荷输入时供电时间约40小时外部电源5V~15V DC, 消费电流约45mA （6V DC, 电荷输入，CAL OFF 时）100V AC （使用选件AC-DC ）电源温度：0~+40℃湿度：20~80%RH （非结露）使用环境矩形波200Hz ±20Hz, 2Vp-p ±5% (范围“H”, “M”) 矩形波200Hz ±20Hz, 20Vp-p ±5% (范围“L”) 校准信号输入换算0.02pC (mV)rms 以下，输入容量1000pF,灵敏度设定1pC/m/ s 2 （mV/m/s 2）,输出范围定1m/ s 2/ FS, LPF Pass 噪声LPF (-3dB): 1kHz, 10kHz-12dB/oct HPF (-3dB): 5Hz -6dB/oct 滤波器0.2Hz ~30kHz, +0.5dB/-3dB (范围“H”, “M”) 0.2Hz ~10kHz, +0.5dB/-3dB (范围“L”)频率特性±1.5%以内（条件200Hz,输出负荷10kΩ以上）灵敏度精度±10V/10mA负荷阻抗2kΩ以上最大输出±1V 输出阻抗1Ω以下输出额定值BNC输出接头0.03 ~ 999pC/m/s 2 （mV/m/s 2）灵敏度设定范围1，10，100倍3段切换灵敏度切换3位数字开关灵敏度设定0.5mA, 4mA （±20%），电压24VDC 恒定电流电荷：10000pC电压：±10V最大输入值电荷，电压输入开关切换式输入切换压电式加速度传感器（电荷输出型及电压输出型）连接传感器BNC （电荷输入，电压输入兼用）输入接头。