摘 要:分析了压电加速度计在工作过程中各种能量之间的转换及转换效率,给出了评价压电加速度计性能的指标,指出了影响其性能的因素
1 引言
压电式传感器由于其体积小、重量轻、固有频率高,而且测量的动态范围大、线性好,目前被广泛应用在水声领域、兵器测试中。在水声领域中广泛使用由压电换能器组成的声呐基阵对水下不同位置的信号和噪声进行测量[1]。用压电加速度计可以测量枪(炮)口的振动、测量火炮的复进与后座时的冲击引信的冲击过载、火箭飞行时的过载等等[2]。因为压电加速度计主要是用来传递振动信息,它与前置放大器共同完成机械振动信号与电信号的转换,所以这里既包括机械的振动系统,也包含着电路的振动系统。这样,在设计压电加速度计时,应首先研究被测体、加速度计及前置放大器之间各种能量的转换及转换效率。
2 压电加速度计功率的转换
压电元件受外力作用而发生应变,又因应变而产生应力。 为维持系统作稳态振动,必须在系统振动过程中不断补充能量,以A表示力所作的功,则瞬时功率为[1]:
由式(5)可看出,加速度计总的功率转换系数与频率有关因此可采用一个与w无关的量G来评价压电加速度计的性能:
3 结论
通过前面的分析,可得出以下结论:
(1)压电加速度计第一环节的功率转换系数反映被测体与传感器之间的能量交换效率,压电元件的刚度W=SE/L及传感器质量mΣ,有效质量直接影响η1。
(2)第一环节的转换系数η1与第四环节的转换系数η4与频率w有关,如果频率范围向高频方向扩展,可使η4增大,但同时影响了传动器的机械特性。传动器的频率范围下限直接影响了 η4。
(3)与连接电容C1相比,应增大传动器本身的电容,从而可提高传动器第三个环节的功率转换系数。
(4)由上面的分析可看出,提高传动器的能量转换效率与优化传动器结构有关,其中第二个环节的功率转换系数直接由压电材料的性能决定,例如,对于石英,η2=2%对于现代压电陶瓷材 料
η2=(20-50)%。
因此,合理选择高质量的压电材料及对传动器结构进行优化,直接影响到传动器的性能。
4 参考文献
[1] 周福洪·水声换能器及基阵[M]·国防工业出版社, 1984
[2] 陈锦荣,等·动态参量测试技术[M]·国防工业出版社,1985
[3] 刘迎春·传感器原理设计与应用(第二版)[M]·国防科技大学出版社,1995
作者简介:洪连进(1965-),女,副教授,研究方向:水声领
