压电式传感器的发展与应用

HEFEI UNIVERSITY

自动检测技术报告

题目压电式传感器的应用与发展

系别 ***级自动化

班级 **班

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指导老师 *****

完成时间 2011-11-28

前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。

关键字：传感器压电效应测振

正文：压电式传感器的发展及应用

压电式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。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械

变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的

变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变

形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式（见图）。压电晶体是各向

异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也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。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

压电式加速度传感器

压电式振动加速度传感器在航空发动机中的应用：

发动机是飞机的心脏，为保证飞机操作系统绝对安全可靠、飞行安全，必须在发动机上安装相应的传感器，用来测量发动机的工作参数，随时监控发动机的工作状态。加速度传感器在发动机研制、生产和使用过程中，对发动机进行振动测量和监视。目前用于航空发动机振动测量的传感器主要是磁电式速度传感器和压电加速度传感器。航空发动机振动非常复杂，工作环境又比较恶劣，对振动传感器的要求非常苛刻，不仅要有好的性能指标，更重要的要具有长时间工作的可靠性和稳定性。

一、压电式振动加速度传感器的主要特点：

(1)内部结构坚固，没有活动部件，是一种惯性式固态传感器，因而寿命较长。

(2)频率范围很宽，从几赫兹到几千赫兹甚至几十千赫兹，而且动态范围很大，能测量从零点几个g到几千个g的加速度，这特别适合于宽频带振动测量和分析。

(3)能够设计成耐高温型，能在高温环境中有效地工作，现在压电加速度计最高使用温度为700℃以上，能满足发动机高温部位振动测量的要求，可在台架试车时用于涡轮外环等高温部位的振动测量。

(4)灵敏度高，稳定性好，体积小，重量轻，安装方便，能进行长时间的振动测量和监视，而且其工作方向是任意的。因此，用于机载振动监视的传感器大多是压电式振动加速度传感器。

但是，由于压电式振动加速度计的输出阻抗很高，而且对高频敏感，因此，使用时必须保证信号输出插件绝对干燥、清洁和接触可靠，否则，将产生严重的干扰噪声，影响使用。

二、压电式振动加速度传感器在航空发动机振动状况监测中的应用。

1.测振加速度传感器的校准。目前，测振传感器采用两种方法来校准：绝对校准和比较校准。

（1）绝对校准法是采用适当的方法直接测定测振传感器的特性参数。校准时，测振传感器置于精密的激振台上承受振动，通过直接测量振动的振幅、频率和测振传感器的输出电量来确定测振器的特性参数。不断改变试验的激振频率，可以校准幅频特性、相频特性。改变振幅大小，可以校准测振传感器的直线性。决定校准精度是振幅、频率和输出电量的测量精度，以及振动台的正弦波。校准精度高，需要使用较高精密的仪器，校准法主要有激光干涉校准法和互易校准法。

（2）比较校准法是取一个经过严格校准过的测振传感器作为基准来和被测传感器作对比试验，确定被测传感器的性能参数。该方法较简单，试验时间较短，可以获取满足一般要求的校准精度。

2. 测点选择。航空发动机的振动测量，首先应选择合适的测振点用于安装振动传感器。由于受到传感器技术水平的限制，传感器耐受温度不高、体积较大，只能将测振点选择在发动机的外部机匣上，而无法直接选在发动机转子上。测振点离振源比较远，容易受