压电式传感器的应用

压电式压力传感器原理及应用

解宝存 201120204038摘要：

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。本文主要讨论压电式压力传感器原理及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。

关键词：压电式传感器压力内弹道试验

压电式压力传感器（piezoelectric type pressure transducer）

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=kSp

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。下面是采用石英晶片的膜片式压电压力传感器图。

其中，u i 为放大器输入电压；a c c c c += ; ; 如果压电传感器受力为F = F msin ωt 则在压电元件上产生的电压为 i a i a R R R R R +=t

U t C F d u m a m

a ωωsin sin =⋅=a

a c q u /=

式中 m u － 压电元件输出电压幅值a m c f u /*d m =

d － 压电系数。 而在放大器输入端形成的电压为: i u 的幅值im u 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

下图为电荷放大器：

如果忽略电阻R a 、R i 及Rf 的影响，则输入到放大器的电荷量为Q i=Q -Q f ,

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)C f>> 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。

1.3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

1.3.1 原理与组成

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m a a a i dF C C R j R j u C j R C j R C j C j R C

j R u )(11111++=+

++=ωωωωωωω2

22)(1i c a m im C C C R R

F d u +++⋅⋅⋅=ωω1)(>>++i c a C C C R ωF C C C d u a c i i ++≈f f f i f C A

U A C U A U C U U Q 0000)1()()(+-=--=-=f f a c i C A U A Q C A U A Q C C C A U 000)1(])1([)(++=+--=++-f a c i C A C C C AQ U )1(0++++-=a c i C C C ++f C Q U -=0

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)

1.3.2 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/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，通过光纤传输到接收部分。（三）光纤：

光纤是强电磁场环境中信号传输的理想介质。光纤接头采用用户连接器（subscriber connector，SC）——光纤连接器（optical fiber connector），螺纹连接具有良好的电磁屏蔽特性。

（四）光接收机：

光接收机完成光电转换器和D/A转换器功能，恢复出原始的模拟信号，输出至数据采集系统。

1.3.3结论

光纤传输测压方式能有效切断电磁干扰藕合到测压通路的途径，避免了各种脉冲干扰给压力测量带来的影响，提高了压力测量的抗干扰性和测量精度。同时，这种测试方法能将内弹道最主要的3个参量（压力、炮口速度和作用时间）的关系在一个时间轴上表征出来，为开展电热炮内弹道机理和试验研究提供了较好的试验方法。