压电式传感器的发展与应用.doc

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
发动机结构振动的干扰，测量误差较大。随着传感技术的发展，已出现耐高温、可靠性高、密封性好、防污染能力强的振动传感器。一些新型发动机在设计时就将测振点从发动机外部移动到内部转子支承点上。例如，CFM-56发动机就有一测振点选择在前端风扇的1号轴承座上。由于测点靠近振源，传感器测出的振动信号更能准确地反映转子的振动状况。
3. 振动测量方法。随着振动测量技术的不断发展，采用可靠的压电加速度计测量发动机外部机匣的振动加速度信息，然后将加速度计测出的信号经二次仪表放大，通过滤波器显示发动机振动加速度总量。必要时选择窄带通滤波器或转速自动跟踪滤波器，显示发动机转速频率的振动加速度。这种测量方法能够直接测出发动机的振动加速度，不需要任何换算，减小了测量误差。由于压电加速度计坚固耐用，这种新的测量方法已被推广应用。为保证飞行安全，空中飞行时也需要监视发动机的振动状况，这已是发动机振动测量技术的新领域。一些先进的运输机和客机已装有发动机振动监视系统，操作员能够通过监视仪表随时了解发动机的振动状况。发动机振动监视系统包括压电加速度计、数字式振动监视仪、连接加速度计和监视仪的电缆、指示仪表、警告和控制装置。
4. 振动分析。对传感器获取的振动信息进行分析，了解发动机的运行状况，以便及时作出调整、维护。针对振动频谱的不同频段进行分析，目前有多种不同的分析方法：通过带通滤波器测量发动机某一频段的振动总量，必要时选择窄带通滤波器测量某一特定频率的振动分量，进行简单的振动分析。这类分析简单、方便，仪器价格便宜，因此，在国内发动机振动测量中应用最普遍，但测量误差较大。还可运用快速傅里叶变换技术的数字式振动信号分析仪分析，它可以在测量现场对发动机的振动信号实时地进行频谱分析，显示或打印出发动机振动频谱。另外，可运用机载发动机数字式振动监视仪分析，它能在飞行过程中分析加速度计所测的振动信号，产生并储存关于发动机振动幅值和相位的数据。
航空发动机测振用加速度传感器的发展趋势：
1. 发展航空发动机转子轴承用加速度传感器。在外部机匣上测量振动，增加了测量误差。发展发动机内部测振用传感器，具备防污染性强、可靠性好、整体式封装等特点。同时开展由于测振点转移带来的振动信号的可靠传输、振动极限的控制等一系列技术
研究。
2. 发展耐高温加速度传感器。开发新型耐高温材料，加强耐高温传感器的设计、制造及装调以满足发动机机载振动需求。
3. 发展航空发动机测振传感器校准研究。航空发动机振动传感器在安装、信号输出、整体质量等方面都不同于一般振动传感器。如高频响应和高温响应试验，通用设备和方法根本不能实现。  
参考文献：1.
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4.《自动检测技术》 马西秦著
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