压电式压力传感器原理及应用

来源 :东方教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cairing
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  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
  一、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。此電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。
  二、压电压力传感器测量电路
  1.除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外,一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷,也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。更换压电元件可以改变压力的测量范围;在配用电荷放大器时,可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度;在配用电压放大器时,可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。
  2.由于压电式传感器的输出电信号很微弱,通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。)前置放大器的作用:一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大,几乎可以忽略不计,故而电荷放大器应用日益广泛。图(a)电压等效电路,图(b)简化电路:
  (a) (b)
  其中,ui为放大器输入电压;; ;
  如果压电传感器受力为F = Fmsinωt 則在压电元件上产生的电压为
  式中 - 压电元件输出电压幅值
  d - 压电系数。
  而在放大器输入端形成的电压为:
  的幅值为:
  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微弱电压信号放大,因此,也称为阻抗变换器
  下图为电荷放大器:
  如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响,则输入到放大器的电荷量为Qi=Q-Qf ,
  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)Cf>> 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。
  三、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
  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)
  四、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。
其他文献
摘要:大学生作为思想意识十分独立的个体,在兴趣、能力等方面所表现的差异性特征十分明显。根据此种意识形态以及能力上的差异,我国教育教学事业专门推出分层教学,一种基于因材施教原理的全新课堂授课模式。田径课程是大学体育课程结构中的重点模块,教师将分层教学应用于田径课程当中,不仅是对当今主学思想的一种肯定与推崇。更有效调动了学生自主进入田径体育学习的感知意识,从而形成良好的体能素质建设思想认识,并将其努力
期刊
摘要:习近平主席在文艺座谈会上的讲话深深的鼓舞着我国广大文艺工作者,文学事业的发展离不开国家的支持,同样文艺事业的发展也是为国家建设服务的,二者是相辅相成的。努力弘扬中华文化精神,确立当代中国价值观念。习近平同志指出,推动文艺繁荣发展,最根本的是要创作生产出无愧于我们这个伟大民族、伟大时代的优秀作品。努力创作生产更多传播当代中国价值观念、体现中华文化精神、反映中国人审美追求,思想性、艺术性、观赏性
期刊
摘要:在21世纪的今天,流行歌曲在音乐市场上占据了绝大部分份额,成为广大群众喜闻乐见的一种音乐形式。同时也有一部分音乐专业从业者顺应市场需求,将一些高质量的流行歌曲改编为钢琴曲,满足不同的层次需求。本文就流行歌曲在改编为钢琴曲中需要注意的一些要点和技术手法进行了探讨,同时对未来通俗钢琴曲创作发展作了简单的展望。  关键词:流行歌曲;改编;钢琴曲;通俗  我国的作曲家、钢琴家们将中国经典的、传统的、
期刊
摘要:江西景德镇作为“一带一路”的节点城市,其以盛产高品质瓷器享誉世界。在新的战略背景下,景德镇应该紧紧抓住依托“一带一路”所带来的众多机遇,大力发展自己的瓷器产业品牌文化,构建陶瓷文化产业链,以此拓展我国日用瓷销售市场,提升我国日用瓷在世界范围内的知名度。本文以景德镇日用瓷产业品牌文化的发展为内容,以“一带一路”为背景,对其具体策略进行几点研究。  关键词:一带一路;景德镇;日用瓷产业品牌;文化
期刊
摘要:NBA作为美国第一大职业篮球联赛,代表着世界篮球运动的最高水平,经过60多年的发展,它逐渐建立起了自己独特的品牌形象,成功地把竞技篮球包装成了一种畅销全世界的文化商品,同时也形成了世界范围内的品牌影响力。对NBA联赛的品牌形象传播进行研究,可以让我们看到NBA品牌形象推广中可以借鉴的成功经验和策略,更重要的是可以让我们认清自身的差距,分析CBA特有的传播环境,整合各方面的因素形成自己独特的品
期刊
摘要:近年来,随着汉语学习者的增多,汉字文化学也掀起热潮,本文就通过对“示”字甲骨文字形的解析,确定“示”的本义,再分析“示”字的字义演变,探究“示”字的文化内涵。  关键词:示;神主形象;字义演  (一)、确定“示”的本义。  《诗经》:“人之好我,示我周行。”是说:人们对我这么友好,给我指示大路的方向。这里“示”的意思是:指示,我们今天常用的意思。然而要想了解“示”的文化内涵,需要从它的造字本
期刊
摘要:作为中国的传统启蒙教材,《三字经》被历代中国人奉为经典并不断流传。作为传统的中华文学蒙学经典,译界大师给语言学习者提供了丰富的文化大餐。本文尝试从许渊冲先生“三美”论的视角,分析研究赵彦春《三字经》英译本特色,为中华文化的传播助力。  关键词:“三美”论 ;《三字经》;中文本;英译本  一、引言  自从“一带一路”的倡议提出以来,中国与世界的文化交流日益频繁,飞速发展,但是怎么样让传统文化“
期刊
摘要:运用文献资料法、逻辑分析法等方法对大学生宿舍体育文化的内涵进行论述,对大学生宿舍体育文化的特征和功能进行分析与探讨。阐释了大学生宿舍体育文化具有性别差异性、灵活性和互动性的特征,具有促进身心健康、教育和促進宿舍和谐的功能。  关键词:大学生;宿舍文化;体育文化  大学生宿舍是由数量基本相同的同性别大学生组成的一个临时“小家庭”。据调查,大学生的课余时间除食堂、运动场所等占少量外,大部分时间包
期刊
摘要:随着散打运动的普及和竞赛活动的深入开展,对散打运动员在竞技能力和运动员本身的因素的研究越来越深入。赛前体重的调控,对于散打运动员能否取得理想的运动成绩具有一定程度的影响。本人通过调查问卷、查寻资料、数据对比与分析等方法,来对运动员赛前的体重调节进行分析,探索科学的降体重手段与方法,以为散打运动员在比赛中能够保持良好的竞技状态提供参考。  关键词: 散打; 運动员; 赛前; 体重; 调控  1
期刊
家庭是社会的细胞,家风是社会风气的缩影。好家风传承着中华民族的传统美德,体现着社会风尚的价值内核,彰显着共产党人的特有风骨。各级领导干部要切实把家风建设摆在重要位置,争做培育良好家风的表率。  一、良好家风是什么?  自古以来,华夏儿女重视亲情、珍视家庭。家风源于我国古代乡土亲缘社会,也就是传统的家庭教育,包括传承价值观、论理观与道德观,也包括传承的基本方法与规矩。简单的讲,就是一个家庭或家族的传
期刊