压电传感器动态响应实验研究.docx

    压电传感器动态响应实验研究    摘要：针对压电式传感器的特性，研究、开发压电传感器动态响应实验研究方法是以SET-910型传感器实验仪为平台，利用微机数据采集技术，通过单片机与PC机的串行通讯，由计算机实时地进行实验数据采集、处理和实验结果分析，实现了快速、准确地对压电传感器性能测试和应用开发关键词：压电效应；传感器；通信；数据采集；1引言基于压电效应的传感器是一种典型的有源传感器，又称发电型传感器压电传感器元件是力敏元件，它以某些电解质的压电效应为基础，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电解质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测[1]的目的2石英晶体的压电效应分析某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应石英晶体就具有这种压电效应[2]因此，常用于压电式传感器的力敏感元件假设从石英晶体上切下一片平行六面体—晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z、轴，如图2-3所示并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面图2-3石英晶体切片当晶片受到沿X轴方向的压缩应力作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。

在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量点荷，但极性相反，见图2-4（a）、(b)图2-4晶片上电荷极性与受力方向关系如果在同一晶体上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图2-4（c）、(d)由此可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的3数据采集系统的设计计算机数据采集系统结构如图3-1所示压电式传感器通过测量转换电路，产生出标准模拟信号，通过数模转换电路，送到单片机89C51的P0口，而单片机与上位机通过标准的RS-232串行接口相连接[3]图3-1系统硬件结构图计算机通过串行口发送控制命令,并由串行口接收实时数据先将代码转换成电平值,然后对这些数据作数值滤波,再进行显示、存储、分析处理整个实验过程是在传感器实验仪上完成各种传感器的非电量转换[4],完成相应测量电路的接线工作数据记录、曲线绘制及实验结果分析都由计算机完成单片机系统采用MCS-5汇编语言开发。

上位微机是在Windows9.X视窗操作系统下，用VisualBasic语言开发编程[5][6]同时还用到了工具软件WindowsHelpDesigner等在软件中还调用了windows提供的一些系统功能，与此相关的ActiveX部件和动态连接库[5]系统软件设计了友好的人机界面，提供了灵活多样的可选操作4压电传感器动态响应4.1实验装置和原理实验装置如图4-1所示实验平台有压电传感器、震动平台、平台激振线圈、永久磁钢、显示、电源和各种处理电路单元组成压电传感器由压电元件（压电片）、质量块和弹簧组成，并组装在一个厚基座的金属壳体中，由于石英晶体的静态特性及稳定性好，常作为压电元件图4-1压电传感器实验平台4.2测量电路设计图4-2为电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，计算机连接起来，组成一个测量线路将低频振荡器的输出端V0与F/V频率表的输入端相连，并将低频振荡器信号V0接入振动台的激振线圈图4-5不同频率下动态响应曲线图4-6压电传感器的动态响应F/Vp-p图像4.3动态响应曲线将传感器基座与试件刚性固定在一起当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比。

在实验平台上，改变低频振荡器的频率（5HZ～25HZ），得到相应频率下的动态响应曲线（正弦波波形），见图4-5根据不同频率，动态响应曲线测得的数据绘制出以频率为横轴，峰峰值为纵轴的压电传感器的动态响应F/Vp-p曲线并得出振台的自振频率大致多少参见图4-65结语压电式传感器具有响应频带宽、灵明度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻等优点随着电子技术的飞速发展，与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆不断出现，使压电式传感器的使用更为方便因此，在许多技术领域得到广泛的应用Reference（References）[1]张迎新．非电量测量技术基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2002．[2]王化祥，张淑英．传感器原理及应用[M]．天津：天津大学出版社，2002．[3]张燕红，郑仲桥基．基于单片机AT89C52的数据采集系统[J].化工自动化及仪表，2010，37（3）：110-112．[4]常健生．检测与转换技术．北京：机械工业出版社，1981．[5]史斌星，史佳．VisuaiBasic贯通教程[M]．北京：清华大学出版社．2003．  -全文完-。