文档介绍：Q广窑农上嚙餉企掀索豊就传感專与检测技术屮
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效Q广窑农上嚙餉企掀索豊就传感專与检测技术屮
实验二十一压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。
二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料，它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
1、压电效应：
具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变，如图21—1 (a)、(b)、(c)所示。这种现象称为压电效应。
(a) (b) (c)
图21—1压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多，压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图21—2(a)所示。当压电晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。其中ea=Q/Ca。式中，ea为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q为压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶片并
联时如图21—2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上，因而电容
量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(C)并联
W ..
1
1
=1
r
—
■- .. --u
(b)等效电荷源
(d)
压电式加速度传感器
图21—2压电晶片及等效电路
压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容Ca 上的电压值，作为压电传感器的输出。因此，压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d)是压电式加速度传感器的结构图。图中，M是惯性质量块，K是压电晶片。压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。在压电晶片K上，放有质量块M。当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力F=Ma。当质量M 一定时，压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
4、压电式加速度传感器和放大器等效电路
压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电