压电传感器动态响应实验研究论文_李巧真,白瑞峰

（天津大学 自动化学院 天津 300072）

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Windows Help Designer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4-6。

5 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。

参考文献（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．Visuai Basic贯通教程[M]．北京：清华大学出版社．2003．

论文作者:李巧真,白瑞峰

论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期

论文发表时间:2018/12/12

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