压电式传感器（共9篇）
压电式传感器 篇1
目前, 传感器技术是全球研究的热点问题, 人们希望通过传感器检测到形形色色的有用信息, 作为电子计算机的“感觉器官”。其中压电式传感器由于高灵敏度、宽频带响应、宽测量范围、抗高过载等特点使其在很多领域得到广泛的应用。但压电传感器低频响应特性较差, 其上限响应频率取决于机械部分的固有频率, 下限响应频率取决于压电晶片本身以及所使用的放大器, 提高压电传感器的低频响应特性是提高其测量精度的关键技术。
本设计旨在通过模拟电路, 使压电传感器获得较为理想的频率补偿, 使其在?3d B高频截止频率为100k Hz, 频率0~70k Hz范围内的电压增益A (f) 的波动在±10%以内。
1 设计指标
1.1 模拟压电传感器电路
输入信号为200Hz、峰值为10V时, 模拟压电传感器输出信号没有明显失真;以200Hz为基准输入信号的-3d B高频截止频率为4.5 k Hz±0.5k Hz。
1.2 压电传感器频率补偿电路
频率为200Hz时的电压增益A (200Hz) =|Vo/Vs|=1±0.05;以电压增益A (200Hz) 为基准, 将A (f) =|Vo/Vs|的-3d B高频截止频率扩展到大于100k Hz;以电压增益A (200Hz) 为基准, 频率0~70k Hz范围内的电压增益A (f) 的波动在±5%以内;将输入信号接地, 输出信号的噪声均方根电压Vn≤10m V。
2 设计方案
电路主要由模拟模块和补偿模块组成。模拟模块主要是指信号发生器/接地产生的信号作为被测量的信号, 经过运模拟电路后的输出信号与压电传感器具有一样频率特性。
模拟电路单指在实际调试和测试时信号经过的某一电路, 输出信号与经过压电传感器有相同频率响应特性, 这一电路就是本文中的模拟电路。
补偿模块主要由放大电路和滤波电路组成, 就是一个针对模拟电路的校正网络电路。这个电路是根据模拟电路的传递函数计算而得到的, 对信号具有校正作用。本文中的频率补偿电路实际上就是对信号的频率展宽。其中放大电路的增益, 就是模拟电路的衰减倍数, 主要是放大被衰减的信号;滤波电路主要根据设计要求中的-3d B高频截止频率得到上限截止频率, 主要是为了防止信号经过放大电路后在高频率时产生自激震荡。电路总框图如见图1所示。
2.1 模拟电路设计
压电加速度传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 从而产生的有用信号也十分微弱, 因此一般在其测量电路前需要接入1个高输入阻抗的前置放大器。加速度计使用的上限频率取决于幅频曲线中的共振频率。压电加速度传感器的-3d B高频截止频率大概在4-5k Hz之间, 可以把压电加速度传感器看作一个特殊的低通滤波器。同时由于压电传感器本身的内阻抗很高, 因此模拟的压电传感器的输入阻抗要很大。由此设计了如图2所示的模拟压电加速度传感器特性的电路模块中的运放电路, 具体电路图如下所示:本系统设计选用TI的OPA2134PA芯片作为模拟电路的运放芯片。
2.2 补偿模块设计
采用有源滤波低通运放串联构成频率补偿电路, 实现频率补偿电路的功能。通过在每一级运放前加一个衰减网络, 避免输出产生自激震荡。在理论计算电路具体参数时, 计算公式简单, 电路板的制作简单, 频率补偿较为理想。
滤波电路主要是指低通滤波器, 其主要作用是为了防止信号经过放大电路后, 在高频段产生自激震荡。为使滤波器在通频带内具有最大平坦的幅频特性, 选用二阶择巴特沃斯滤波器, 设置其增益为1, 具体电路图如图4所示。
电路中具体的参数R4=R9=800Ω, C3=C8=1n F, 其上限截止频率为120KHz。
2.3防止高频自激和去噪声
2.3.1防止自激的方法
通过对负反馈放大电路稳定性的分析可知, 电路产生了自激振荡时, 如果采取某种方法能够改变AF的频率特性, 使之根本不存在f0, 或者即使存在f0, 但f0>fc, 那么自激振荡必然被消除。消除自激震荡采用超前补偿的方法, 将超前补偿电容加在反馈回路, 若RC取值得当, 这样不仅可以消除自激振荡, 而且频带大大变宽, 符合要求。
2.3.2 PCB设计时降低噪声方法
在印制板制作模拟电路的印刷板时, 由于使用的电容只有4.7pf, 因此尽量使用大于90°的折线布线以减小导线与地、导线与导线之间的电容。印制板按有源和无源特性分区, 有源元件之间的距离要远一些。同时印刷板的接地线和电源线应该粗一些。有用信号传输的线不要与接电源的线平行。信号线尽量不要形成环路, 最好是由左到右的一条直线。每个集成运放芯片的电源都要有去耦电容。元器件与导线的焊点尽量不要有尖锐的突起, 要圆滑。
3 电路调试与测试
简单来讲, 本电路就是由一个运算放大器组成的模拟电路和四个运算放大器组成的补偿电路串联构成。由于本电路使用模拟电路代替了压电传感器, 在实际信号传输过程时, 它们的幅频特性并非完全一致, 所以有必要测试模拟电路的幅频特性。
制作的模拟电路在200Hz时, 输出电压Vb无失真, 增益为1。模拟电路输出电压Vb的-3d B高频截止频率在4.1k Hz~4.3k Hz之间, 满足设计要求。由实测数据可知, 信号在200Hz之后就开始衰减, -3d B高频截止频率约为4.2k Hz。电压增益A (200Hz) 为1时, A (f) 的-3d B高频截止频率在97k-98KHz之间;同时电路在频率0~70KHz范围内输出电压的最大误差是在20k时, 误差为0.3V, 电压增益A (f) 的相对误差为3%, 满足设计要求。
补偿电路的-3d B高频截止频率约为100k Hz, 具有很好的稳定性和频率特性。将输入端接地, 测得输出信号Vo的噪声峰峰值为50m V, 经计算可得噪声均方根Vn为8.3m V, 满足设计要求。
4 结束语
本文简单论述了压电传感器的工作原理, 并根据其频率特性设计了模拟电路和与之相对应的频率补偿电路。该电路主要由模拟电路和补偿电路构成, 实现了对压电传感器的频率特性模拟和频率补偿。它将模拟电路的3d B高频截止频率由4.5k Hz扩展为97KHz, 并且保证其在频率0~70k Hz范围内的电压增益A (f) 的波动为10%之内, 说明电路有很好的稳定性。除此以外, 电路为低噪声设计, 输出信号的噪声均方根电压仅为8.3m V。
摘要：文章介绍了一种压电传感器频率补偿电路, 本电路主要由模拟压电传感器电路与其频率补偿电路组成。模拟压电传感器电路以双运放OPA2134PA芯片为核心, 主要模拟压电传感器的频率特性;频率补偿电路以单运放THS4001芯片为核心, 能够实现对模拟压电传感器电路的频率补偿。本电路为低噪声设计, 噪声均方根电压Vn为8mV, 保证了电路基本无噪声的干扰, 该电路-3dB高频截止频率为100kHz, 频率0-70kHz范围内的电压增益A (f) 的波动在±10%以内。
关键词：压电传感器,频率补偿,自激震荡
参考文献
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[3]程华, 李永新.压电传感器低频动态补偿数字滤波器设计[J].电子测量技术, 2007.
[4]徐科军.传感器与检测技术[M].北京:电子工业出版社, 2009.
[5]邓维礼.压电式多维力传感器处理电路的研究与设计[J].重庆大学, 2009.
压电式传感器 篇2
研究压电主动结构振动控制当中传感器/作动器的位置优化问题.从系统的`状态空间方程出发,在系统可控性、可观性Grammian矩阵特征值的基础上来描述性能指标,以控制能量最小化和传感能量最大化作为优化目标,利用遗传算法(GE)进行优化计算,计算过程中对传感器/作动器的位置采用二进制编码加以描述.通过对一压电板结构的仿真计算对该方法进行了验证,优化计算结果与枚举法结果完全相符,从而证明了方法的有效性.
作 者：王威远 魏英杰 王聪 邓年春 邹振祝 WANG Wei-yuan WEI Ying-jie WANG Cong DENG Nian-chun ZOU Zhen-zhu 作者单位：哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江,哈尔滨,150001 刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2007 28(4) 分类号：O482.41 V214.19 关键词：压电传感器/作动器 智能结构 位置优化 遗传算法★ V2O5复合薄膜材料的电子结构研究
★ 基于压电陀螺的惯性测量单元设计及数据优化
★ 网站首页的结构优化分析
★ KPbTlO复合氧化物的合成和电子结构的XPS研究
★ 优化课堂教学结构，训练英语运用能力
★ 精密卧式立柱结构优化设计论文
★ Kazal型蛋白酶抑制剂结构与功能研究进展
★ 复合大师经典台词
★ 聚丙烯腈纳米纤维毡上生长ZnSe纳米晶的结构及发光特性
墨仓式品质之源微压电扛鼎之作 篇3
随着市场的发展，打印机越来越被人们所熟知，购买行为变得更加理性化，人人心中都有一个小算盘，盘算着每打印一张纸的价格究竟是多少钱，这时一种DIY式的打印墨水很快风靡喷打市场，这就是“连供”。但真正改装了连供的用户在使用一段时期后发现，比如系统不稳定、堵头、有异味、无法享受售后服务等问题接踵而来。那么从成本角度出发，喷打市场该如何继续前进？爱普生适时地推出了划时代的墨仓式产品。
墨仓式打印机是指支持大容量墨仓，可实现单套耗材超高打印量和超低打印成本，而且用户可享受含打印头在内的原厂整机保修服务的打印机。通过我们对消费者以及经销商的走访，再结合爱普生推出墨仓式打印机的初衷，其主要优势可以归结为“省、好、多”三点。
每页1分5，成本超“省”
爱普生墨仓式打印机打破了市场上“正品”、“原装”即代表“高成本”的固有思维，真正做到了整体使用成本超“省”的突破。与目前广泛使用的激光打印机和喷墨打印机相比，墨仓式打印机最大的优点就是在确保打印品质的同时，将打印成本降到了最低点。
爱普生全新墨仓式打印机标配超大容量墨水，每瓶70ml，可实现黑色4000页或彩色6500页的海量打印，而每瓶墨水的媒体报价仅为60元。按此算来，黑色单张成本为1分5，彩色不到5分钱，比灌粉或改装连供的打印成本更低。
此外，爱普生墨仓式打印机均采用爱普生特有的微压电打印技术，其打印头为耐久式打印头，不是耗材，具有较长的使用寿命和稳定的工作性能，可享受原厂的保修服务，后期使用成本更省。
爱普生墨仓式打印机的“省”还表现在空间上。机身设计较之前的产品更为精巧紧凑，多功能一体机的体积减小了12%，单功能打印机的体积减小了9%，为用户节省更多空间的同时，由于使用更少的原材料，也更加环保。
原装品质+原厂保修“好”
一直以来很多打印机用户为了追求“省”不得不放弃原装打印品质和原厂保修的机会，爱普生墨仓式打印机让用户从此不再面临两难选择，墨仓式打印机新品不单满足用户“省”的需求，同时可以让用户实现高品质的打印和享受原厂保修的售后服务。
爱普生墨仓式打印机采用的原装墨水均在高洁净度无尘车间生产，纯净少杂质，可有效避免打印头堵头现象。可实现最高5760dpi分辨率，让用户享受真正高品质打印输出。此外，爱普生原装墨仓系统采用恒压墨仓结构，可精准控制供墨压力。一体化设计与合理的输墨管线排布，确保墨水供应持续稳定，打印输出畅通无阻。墨仓系统的设计很好地解决了改装机存在的堵头、漏墨、系统不兼容等问题，让用户使用起来更加安心和方便。
爱普生墨仓式系列产品还为用户提供了安心的售后保障，爱普生服务连续多年荣获IT产业权威评选机构——中国电子信息产品发展研究院评选的打印机服务满意度金奖。爱普生遍布全国的500多家专业服务中心，可为用户提供专业服务，保证用户使用安心。
海量打印“多”
墨仓式打印机的核心，基于独特的微压电打印技术，再加上原装墨仓系统的设计，才能突破传统打印机打印量低的瓶颈，在实现低成本、高品质打印的同时，畅享超高打印量。爱普生墨仓式打印机随机标配整套四色分体墨水，总计280ml的超大容量。打印 ISO/IEC FCD 24712样张，可实现黑色4000页或彩色6500页的海量打印，比普通激光打印机1500页左右的打印量要高出许多。如此“多”的打印量，让用户畅打无忧。大容量墨水，让用户在使用过程中无需频繁更换墨盒，既提高了使用便利性，又有效利用了资源，可以说是目前市场上适合大打印量用户最具性价比的产品。
“微压电”作为核心保障
爱普生墨仓式打印机系列产品的出现，为用户在打印方面一直面临的困扰提供了一个切实可行的解决方案。作为一个以顾客需求为导向而推出的打印新品类，墨仓式打印机将携“省”、“好”、“多”的独特优势，为用户带来非同凡响的打印新体验。不过，能实现如此出色的打印体验，还要得益于爱普生独家的微压电打印技术。
微压电打印技术自问世以来，已跨越了20年风云岁月。其间，该技术经历了不断的优化和完善过程，依托于此项技术的核心优势，爱普生研发并推出了许许多多优秀的打印产品，满足了用户多种细分的打印需求。
微压电打印技术利用压电元件在电压变化作用下具有伸展或收缩形变的特性，以电压控制压电元件形变挤压喷射墨滴。微压电打印技术具有打印品质高、耐用性好、节能环保、综合成本低等优势。
凭借爱普生不断创新的技术，墨仓式打印机既弥补了传统喷墨打印机、激光打印机的不足，也避免了目前连供、灌粉的弊端，提供给用户除传统喷墨和激光打印机之外的又一新选择，也是更优的选择。目前在市场中热卖的墨仓式打印机系列产品，全面满足了用户从家用市场到商用市场，从文档打印到照片打印的多种需求。墨仓式打印机上市以来，几度出现抢购以致断货的现象，市场对墨仓式打印机的追捧热度由此可见一斑。“买打印机选墨仓式”，也已经被越来越多的消费者所认同。
压电式传感器 篇4
1 传感器信号采集系统原理简述
压电式传感器的基础是电介质的压电效应, 这些物质表面上会产生电荷, 原因是在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形;反之, 若它们不受力又回到不带电的状态, 这就是所谓的压电效应。它是典型的发电传感器, 又叫有源传感器。石英晶体是最常用的电介质材料, 此外还有钦酸钡、错钦酸铅等多晶体也作为压电材料得到应用, 因为它们具有良好的压电效应。这种传感器的灵敏度与压电材料的压电系数和质量块的质量有关成正比关系。压电系数越大, 传感器的灵敏度越高, 在通常情况下我们主要采用压电陶瓷为敏感元件。压电式加速度传感器包括质量块、压电元件和支座。其中把支座与待测物固定在一起, 它们之间是刚性连接。当待测物有位移时, 支座与待测物以相同的方式运动, 压电元件受到惯性力的作用, 它与质量块的与加速度相反方向, 晶体的两个表面形成了交变电压。当传感器的固有共振频率大大高于振动频率时, 传感器的输出电荷 (也就是电压) 与作用力的关系为正比。我们可通过检测电路检测放大的电信号从而得到物体的加速度。
2 信号采集系统总体设计方案
我们对数据采样过程采集时域信号而计算机只能处理数字信号, 故需要将用调理器和转换器来进行信号的转变。具体转换过程:压电加速度传感器输出的是信号非常小的电荷信号, 这种信号需要经过信号调理电路 (我们选择为电荷放大器) 对其进行放大且滤波处理, 实现电荷信号和电压信号的转换, 并过滤掉干扰信号, 因为计算机只能处理数字信号所以经由A/D转换器转换成数字信号。再经过相关过程 (例如单片机和通讯电路) 送及上位机, 最后由Lab VIEW软件读取、转换和显示信号。
3 信号采集系统详细设计
3.1 信号调理电路
由于压电加速度传感器内阻大、信号弱, 这就要求前置放大滤波电路完成三项内容:一是完成传感器的高阻抗输出和低阻抗输出之间的转换;二是放大传感器的微弱信号;三是过滤噪声信号。由于压电加速度传感器输出信号弱的特点, 本文采用TI公司的TL081运放芯片作为信号调理电路, 这种芯片取代了分离元件, 并具有体积小、功耗小和寄生因素小等优点, 另外抗干扰性也很好。以下为电路的主要组成部分。
(1) 电荷转换部分。这部分实现电荷信号和电压信号的转换, 同时也是整个电荷放大器的最主要的部件。它的组成部分包括运算放大器和反馈网络。本文采用的运算放大器是高阻运算放大器, 它集成了高阻输入级而TI公司的TL081芯片完全能够满足其设计的理论要求, 因为它有1012Q的输入阻抗, 3MHz的带宽, 增益为10的开环以及内部调零电路。设计要求精度保证在0.5%以下, 因此电荷转换部分的反馈电容凡采用精密聚苯乙烯, 因为它有稳定性及绝缘电阻高的优点。其阻值的大小可以根据要求而进行选择, 并选较小的反馈电容以保证电路的增益, 但是也不能太小以免给电路调试和使用产生影响。综合考虑, 压电加速度传感器的反馈电容q极限值为10000PF。
(2) 适调放大部分。这部分通过不同的灵敏度的传感器去测量相同的输出, 并记录相关的图形和数据, 但是前提是被测非电量 (加速度或压力) 是一定的。
(3) 低通滤波部分。压电加速度传感器的幅频的高频段有个共振峰, 这个共振峰值能够引起对输入信号产生失真和干扰的高频噪声。为了弥补传感器的这个缺陷需在放大器中采用低通滤波器, 另外, 在某些振动测试中能够产生对低频测试产生影响的高频频带, 这些高频带有时远远高于实际的需要。因此为了让低频交流分量通过就在系统中采用了低通滤波器以衰减无用的高频分量来满足我们的需要。
(4) 输出放大部分。这部分电路由高通滤波和同相电压放大两部分组成。因为在电荷转换部分, 当R不变时, 在切换增益档时, 电路直流放大倍数的变化与输出零点跳动有很大的关系, 为了去掉直流部分以减少直流漂移影响, 所以通常在低通滤波器后面又加了一个高通滤波器, 一阶RC电路和运算放大器共同组成了本设计的高通滤波器。
3.2 A/D转换电路
在本采集系统采用的是一个有2K字节可编程EPROM的GMS97C2051, 它是由LG半导体公司生产的高性能的微控制器。
它是A/D转换器中广泛使用的器件, 主要应用于仪器仪表、设备等检测与控制装置中。随着科学技术的发展, 转换器不断朝高精度、低功耗、低成本方向推进, 随之也产生了可靠性更高的微机控制系统的电路。计算机数据采集系统中广泛采用了低成本的逐次逼近式A/D转换芯片, 这种芯片具有速度快, 分辨率高等优点。逐次逼近式A/D转换器转换是通过逐次逼近的原理进行工作的, 即把输入电压Vi和一组量化电压进行比较, 量化电压是通过分层得到的, 比较的最终目的是使两者的差别小于某一误差范围因此需要从最大的量化电压开始, 按照由粗到细的顺序逐次进行, 相应的位是1还是0是有比较的结果确定的。这样不断比较, 不断逼近, 直到达到要求即完成了一次转换。
TL公司生产的TLC0831是一种通过使用开关电容逐次逼近技术实现A/D转换过程的8位串行模数转换器。TLC0831有一个配置为标准移位寄存器或微处理器接口的输入通道。串行输入结构具有节省51系列单片机1/0资源, 价格适中, 分辨率较高等优点, 广泛应用于仪器仪表中。TLC0831有三个控制输入端, 分别为CS (片选) 、输入/输出时钟 (CLK) 以及串行数据输出端 (D0) 。为了获得满比例尺转换和最高的转换分辨率使REF端输入等于最大模拟信号输入。一般REF端设为等于VCC。
4 结语
本文主要对压电式传感器信号采集系统进行研究, 并对该系统的设计原理, 设计方案和硬件系统模块进行分析。实践证明, 该信号采集系统能够在实际的应用中发挥作用。
参考文献
[1]孟立凡, 郑宾主.传感器原理及技术[M].国防工业出版社, 2005, 5.
[2]徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社, 2004, 4.
[3]徐甲强, 张全法, 等.传感器技术[M].哈尔滨工业大学出版社, 2004, 5.
压电式传感器 篇5
包绍明, 一个科研工作者, 又是一个市场开拓者。他奉行“先有市场, 后有产量”的理念。“一个技术人员, 不关注市场, 就搞不好技术, 因为市场就是检验我们技术水平的考场!”“通过融入国际竞争, 只有走出去才能找到差距, 才能实现质的飞跃。”包绍明是这样说的, 更是这样做的。在中航工业凯天建立起我国唯一从压电敏感元件研发到压电式振动传感器测试的实验室, 实现了国内压电式振动传感器专业从无到有的历史性突破, 就是他深入钻研、开拓新技术领域的有力见证。
在2008年之前, 中航工业下属没有从事压电式振动传感器专业的企业和研究所。而我国的航空发动机也就一直没有装载压电式振动传感器, 整整落后了国外近50年。而这一切就从包绍明加入凯天后得到了改变。2008年10月, 我国某重点型号发动机首次应用了高温压电振动传感器, 其使用温度达482摄氏度、工作频率范围达到2500赫兹, 产品性能远远优于原来的磁电式振动传感器。这个产品的问世和产品技术的重大突破, 正是在包绍明一手开创压电传感器专业下结出的硕果。
在创业之初, 包绍明克服了重重困难。面对凯天在振动传感技术上的空白, 包绍明在公司的大力支持下, 组团队、筹设备、建实验室, 全力以赴研发压电式新型传感器。在实验室建设时, 许多特殊的测试设备国内无现成的产品借鉴;国外有相关制造商, 但是由于实验条件要求的特殊性, 也没有现成的设备可提供。包绍明没日没夜地翻阅资料, 找论文, 自己翻译自己消化, 自行设计、定制了所有的试验设备。实验室设备受英国Meggitt集团传感器事业部总裁的首肯:“The same!”这充分说明了该实验室不管是从测试条件还是技术指标, 都和世界最先进的传感器公司——Meggitt的实验室一样。该实验室也是我国唯一从压电敏感元件研发到振动传感器测试的包含全部关键技术和工艺的全套实验室, 确保了凯天具备自主压电敏感元件的制备、测试检测能力, 也保证凯天在该领域上拥有明显的优势。
经过项目团队的前期探索、仪器调试和不断试验, 实验室正式获得陶瓷样品, 并进入军品体系, 装入凯天生产的振动传感器中。实验室建成至今, 已实现为4个型号7项产品配套, 这不仅是凯天首次研发出压电式振动传感器, 也是我国第一次在发动机和燃气轮机上配套压电式振动传感器, 达到了国外先进水平。该系列振动传感器获得了中航工业科技成果二等奖。
在过去的几年, 包绍明和他的团队在凯天压电敏感元件实验室中, 自主研制出高温压电陶瓷的配方和基本制备工艺, 实现了对压电振动传感器全套技术的掌握。而超高温 (649摄氏度) 压电振动传感器及其差分电荷放大器的研制成功, 使得凯天成为继Meggitt后第二家能生产超高温传感器的公司, 在国内具有绝对领先地位。
压电式传感器 篇6
目前微型MEMS电场传感器的驱动方式主要有静电驱动[2]、热驱动[3]、电磁驱动[4]以及压电驱动[5]。静电驱动的微型电场传感器需要施加较高的驱动电压( 大于20 Vp - p)[6]; 热驱动微型电场传感器所需功耗较大( 大于几十毫瓦) ; 电磁驱动方式需要比其他驱动方式施加更大的驱动电压,会带来强电磁干扰,增大检测电路噪声,并且制备这种驱动方式比较复杂。与其他驱动方式相比,压电驱动具有结构简单、功耗低、响应速度快、耐高温、抗干扰能力强等优点[7,8]。陶虎等人提供了一种采用压电陶瓷条作为驱动结构的MEMS电场传感器[5],该传感器的梳齿电极采用胶粘剂与压电陶瓷条连接,制作精度差,不适合批量生产。
PZT薄膜作为优良的压电驱动材料,被应用在许多MEMS传感器的驱动结构上。本文介绍的压电悬臂梁式微型电场传感器,是利用PZT薄膜驱动悬臂梁,使其垂直振动,传感器采用MEMS加工技术制备,最后在0 ~ 45 000 V/m的静电场中测试,输出线性度较好。该研制的压电悬臂梁式微型电场传感器具有结构简单、体积小、功耗低等特点,且容易批量制造。
1工作原理和电流估算
1.1工作原理
压电悬臂梁式微型电场传感器由两组压电微悬臂梁构成,呈叉指式结构。每根压电悬臂梁由硅基底、绝缘层、下驱动电极、压电薄膜、上驱动电极、感应电极构成,如图1所示。
当没有驱动电压时,所有压电悬臂梁都保持在同一水平面上,如图1所示。当施加驱动电压时,一组悬臂梁的自由端向上翘起,另外一组悬臂梁自由端下弯曲。如图2( a) 和( c) 所示,当第一组悬臂梁向上运动时,第二组悬臂梁向下运动,翘起并高于初始状态水平面的悬臂梁的自由端暴露于待测电场中; 如图2( b) 和( d) 所示,感应电极表面感应电荷增加,此时向上翘起的悬臂梁作为感应电极,同时起到屏蔽电场的作用,下弯低于初始水平面的悬臂梁, 被起到屏蔽作用的悬臂梁屏蔽,使其电极表面的感应电荷减少。由于驱动电压的幅度和极性周期变化,上述悬臂梁的翘起和下弯两种状态交替出现,感应电极表面感应电荷量发生周期性变化,从而形成交变电流,由感应电极焊盘以差分形式输出该交变感应电流,其中输出电流的幅度正比于待测电场强度的大小。
1.2电流估计
传感器的有效感应面积为悬臂梁的上表面,以下为计算感应电流过程。根据高斯定理有感应电极表面感应电荷数
式( 1) 中,ξ 为真空介电常数,E为外加待测电场,A为有效感应面积。传感器工作时式( 1) 变为
式( 2) 中,Δq为变化的感应电荷量,ΔA为有效感应面积的变化量。向上的感应电极表面电荷量增加, 向下弯曲的电极表面电荷量减少,则传感器差分形式输出该交变感应电流i为
将式( 2) 代入式( 3) 中得
从式( 4) 中可以看出,在频率f和有效感应面积的变化量 ΔA都保持不变的情况下,输出的感应电流正比于待测电场强度E。
2PZT材料
2.1PZT溶胶的制备
现选用锆钛酸铅( 简称PZT) 作为压电材料,利用凝胶-溶胶法制作压电材料层,配制溶胶的方法为[9—11]: 五水合硝酸锆( zirconium( Ⅳ) nitrate pentahydrate) 、三水合醋酸铅( lead acetate trihydrate) 和钛酸正丁脂( tetrabutyl titanate) 为原料合成前驱液,乙二醇甲醚( ethylene glycol monomethylether) 和乙酰丙酮( acetylacetone) 分别作为溶剂和稳定剂,溶胶中的铅过量15% 以弥补高温热处理过程中铅的挥发损失[4,5]。
PZT溶胶的制备过程如下,五水合硝酸锆和三水合醋酸铅,放入乙二醇甲醚中,90 ℃ 水域加热, 搅拌、回流1 h,其间加入乙酞丙酮,得到微黄透明溶液; 冷却至室温后,将的钛酸正丁脂加入到混合液中,90 ℃水域加热,搅拌、回流1 h,最后得到的PZT前驱体溶液为淡黄色透明溶液,溶液冷却至室温后,将溶液过滤[4,5],配制PZT溶胶流程如图3所示。
2.2PZT材料的X射线衍射(XRD)分析
将配置好的PZT溶胶旋涂在已制备底电极的硅片上,转速3 000 r/min,旋涂60 s,每次旋涂厚度为70 nm。将每次旋涂的PZT薄膜放置于加热板上前烘,前烘条件为350 ℃、10 min,然后采用快速退火的方法进行退火,退火温度为650 ℃,保持30 min,自然冷却[11、12]。通过多次旋涂,达到所需要厚度的PZT薄膜。退火后PZT薄膜的XRD分析如图4所示,在2θ 为21. 83°、31. 08°、38. 24°、44. 48° 和55°都出现了特征峰,与标准PTZ( 50: 50) 的谱图相比,分别对应着PTZ( 100) 、PTZ( 110) 、PZT( 111) 、 PZT( 200) 、PTZ( 211) 的特征角度。可见,PZT薄膜己经完成了钙钛矿结构的结晶。制备的PZT薄膜的压电系数( d33) 经测量为46 pm/V。
3工艺
3.1工艺过程
压电悬臂梁式微型电场传感器主要采用MEMS加工工艺制备而成。上驱动电极、下驱动电极和感应电极层采用溅射的方法制作; 压电材料PZT层采用凝胶-溶胶法制作; 上驱动电极层与感应电极层之间采用PEVCD的方法制作氮化硅绝缘层; 用ICP深刻蚀出传感器的结构; 为了避免悬臂梁之间的黏连, 传感器结构释放采用干法释放。
表1为工艺流程图表。工艺步骤如下:
( 1) 在清洗后的硅片表面双面氧化二氧化硅, 厚度为200 nm;
( 2) 采用剥离法制作粘接层Ti和底电极Pt,厚度分别为50 nm和200 nm;
( 3) 在底电极上旋涂PZT溶胶,前烘,图形化, 退火使PZT形成晶体;
( 4) 在PZT上采用剥离法制作上电极Pt,厚度为200 nm;
( 5) 在PZT的上电极上面采用PEVCD的方法制作氮化硅绝缘层,厚度为300 nm;
( 6) 在氮化硅绝缘层上采用剥离的方法制作感应电极;
( 7) ICP深刻蚀的方法刻蚀氮化硅、PZT、二氧化硅和硅,深度为梁的厚度,旋涂聚酰亚胺保护正面结构层;
( 8) 背面氮化硅掩膜图形化;
( 9) 用夹具夹住硅片,保护正面的结构,背面采用湿法腐蚀,达到一定深度;
( 10) 利用干法ICP深刻蚀背面剩余硅,最后打氧去除聚酰亚胺,整个结构释放。
3.2PZT图形化
PZT图形化的方法有湿法腐蚀和反应离子刻蚀 ( RIE) ,湿法腐蚀是将PZT放入酸中,比如稀盐酸, 此方法由于腐蚀时间较长,光刻胶容易脱离,影响PZT的性能,且腐蚀后PZT边缘不整齐。干法反应离子刻蚀,是利用单一气体( CH3F3、SF6、Ar) 或混合气体( SF6和Ar) 进行反应离子刻蚀,这种方法刻蚀速率较慢,但是边缘整齐,适合较小尺寸结构PZT图形化。
采用CH3F3气体,对PZT进行反应离子刻蚀。 在刻蚀PZT材料的实验过程中发现PZT退火前后刻蚀效果不同,如图5所示。由于退火后硅表面PZT刻蚀不完全,所以选用在PZT材料退火前进行刻蚀,可有效去除硅表面多余PZT材料。
经所有加工工艺步骤后得到的压电悬臂梁式微型电场传感器样机以及压电悬臂梁关键部位如图6所示。
4测试结果
测试传感器样机需准备一个标准的电场。根据以往文献中报道微型电场传感器的测试方法[12,13], 采用两块较大平行极板产生均匀电场,测试方法如图7所示。平行电极板相距0. 2 m,大小为0. 8 m ×0. 8 m测试时传感器放在电极板的中间位置。通过在上下电极板间施加0 ~ 2 000 V的直流电压,得到传感器的测试数据曲线图,如图8所示。
从测试结果可以看出,在0 ~ 45 000 V/m的静电电场强度范围内,传感器的输出量与电场强度成正比,且具有较好的线性。在实验过程中,传感器的每根压电悬臂梁加上驱动电压后都是独立工作的, 所以少部分悬臂梁损坏或黏连在一起,传感器仍然能正常工作。
5总结
设计、制作了一种基于压电悬臂梁式的微型电场传感器,并进行了初步的性能测试。文中介绍了基于压电悬臂梁式的微型电场传感器的基本结构、 工作原理、制作工艺,并对测试方法进行了讨论。通过测试结果可以看出看出,该微型电场传感器的输出数据与所施加的电场强度具有较好的线性,验证了一种基于压电悬臂梁式的微型电场传感器的工作原理的可行性,以及加工方法、测试方法的有效性。 通过进一步优化传感器的结构设计、提高传感器的加工精度、以及提高PZT材料的压电性能,有望进一步提高传感器的性能。
摘要：提出并研制一种新型压电悬臂梁式微型电场传感器,该传感器是基于压电(PZT)薄膜驱动的悬臂梁式微型电场传感器;同时介绍了传感器的工作原理、结构设计、制作工艺以及初步测试结果。该微型电场传感器由多根压电悬臂梁构成,每根悬臂梁能同时具有屏蔽电场和感应电荷功能。对传感器感应电荷的能力进行了计算;并根据计算结果和工艺要求设计了传感器的参数。该微型电场传感器采用微加工技术制作,每根悬臂梁为多层复合结构(Al/Si3N4/Pt/PZT/Pt/Ti/Si O2/Si),其中PZT薄膜采用溶胶-凝胶法制备。测试结果证明,传感器具有良好的响应特性。
压电式传感器 篇7
随着科学技术的发展,多维力传感器在航空航天、机械加工、汽车等行业中有着广泛的应用。多维力传感器按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式、光学式和电感式等[1]。压电式传感器是根据压电材料的正压电效应将外力转换为电荷量输出,通过测量相应电量获得外力大小的一种传感器。本文在现有压电式四维力传感器基础上,改变敏感元件的布局方式,从而得到新的压电式四维力传感器的结构模型,并通过有限元分析方法对该模型进行了仿真分析。
1 石英晶片组的分布设计
将多块石英晶片(敏感元件)按照一定的切割形式和排列方式组合来构成“组合晶组”,就可以实现空间多方向力和力矩的测量。如图1所示,将8片X切型晶片和8片Y切型晶片均匀分布在内、外圆环上。内环为X切型晶片,其机械轴沿径向均匀发散,利用石英的纵向压电效应测量垂直于晶片的力FY;外环为Y切型晶片,其电轴(灵敏度轴)沿着测力的方向,利用石英的剪切压电效应测量与晶片表面相切的力FX、FZ和力矩。
在图1的基础上,优化晶体元件的结构。首先,用圆形的X、Y切型晶片代替原方块形的。其次,将8片X切型的石英晶片和8片Y切型的石英晶片均匀分布在内、外圆环上,构成一个晶组1[4]。
晶组1中,晶片1、2、3、4均位于同一平面上。晶片1、2、4用于测量力FX、FY和FZ;晶片3用于测量力矩MY。晶组1的石英晶片布局如图2所示,晶片1内箭头所指为X方向,晶片2内箭头所指为Z方向,Y方向垂直纸面向外。最后,将1个和晶组1布局方式完全一样的晶组2平行叠加放置在晶组1的上方,构成一个新的敏感元件布局,如图3所示。
2压电式四维力传感器的有限元分析
2.1建模
在利用有限元建模的过程中,选择耦合单元SOLID5作为压电材料石英的单元类型,并且输人代表石英晶体材料属性的压电系数、弹性系数和介电常数矩阵,同时按照图3中晶片组的布局要求为每一块晶片建立局部坐标系,用映射方式划分网格。其余的结构选择高精度的二次结构单元SOLID95,它是3维20节点实体,能够用于不规则形状,而且不会在精度上有任何损失。压电式四维力传感器的有限元模型如图4所示。
若将图4所示传感器模型放在图3的坐标空间中,则Y方向的力FY对传感器来说是压力,其方向沿Y负向。由晶片组测力原理可知,Y方向的输出电压UY是内环8片X切型晶片输出电压之和;X方向的输出电压UX是外环上灵敏轴指向X方向的2片Y切型晶片输出电压之和;Z方向的输出电压UZ是外环上灵敏轴指向Z方向的2片Y切型晶片输出电压之和;M方向的输出电压UM是外环上灵敏轴排列绕Y方向旋转的4片Y切型晶片输出电压之和。
2.2仿真与数据分析
施加0～2 000N的外力FY到Y方向时,4个方向的输出(UY、UX、UZ、UM)及对其它3个方向的干扰情况(UX/UY、UZ/UY、UM/UY)见表1。
对于压电式四维力传感器,主要研究的是在4个方向同时施加力和力矩时的输出变化情况。因此对传感器4个方向同时施加力和力矩,得到的输出见表2。
研究表明:施加FY时,对其它3个方向的维间干扰均不大于0.000 8%;施加FX和FZ时,维间干扰最大值出现在X方向,且均小于2%;施加MY时,对其它3个方向的维间干扰小于0.1%。
为了得到石英晶片的力电转换效率,可先求出晶体片上产生的电荷与所受外力之间的比值,再将该值与晶片实际的压电系数相比即可。
将石英晶片视为薄平行板电容器,通过晶片上下面的电压差值可计算出电荷量,即:
式中,Q为石英电荷量;U为石英上下面电压差值;ε0为真空中介电常数值,取8.854 2×10-12 C2 N-1 m-2;εr为石英的相对介电常数,X切型晶片取4.5,Y切型晶片取4.6;S为石英晶片上下面的面积,取0.000 05m2;D为石英晶片的厚度,取0.001m。
由式(1)可知,晶体片上产生的电荷与所受外力之间的比值为:
由于FY、FX、FZ、MY是作用在32块晶片上的,因此,在计算晶片的力电转换效率时,首先要得到各方向上实际用于测量相关外力的晶片上所承受的力的大小。在Y方向上施加外力FY时,16片X切型晶片用于测量该力,其受到的力FY'=8×FY/32。在X方向上施加外力FX时,该方向上相关的4片Y切型晶片用于测量该力,其受到的力FX'=4×FX/32。Z方向的受力情况与X类似。施加力矩MY时,只需将力矩除以力臂得到相应的力后即可进行计算。
将FX'和FY'带入式(2),就可得到Y方向上X切型石英晶片产生的电荷与该晶片所受力之间的比值为1.97X10-12C/N;X、Z方向上Y切型晶片产生的电荷与该晶片所受力之间的比值为3.58×10-12C/N。在传感器中,X切型石英晶片相应的压电系数d11=2.31×10-12C/N;Y切型晶片相应的压电系数d26=4.62×10-12C/N。最后,将计算得到的比值与实际的压电系数相比,发现X切型石英晶片的力电转换效率为86%,Y切型石英晶片的力电转换效率为77%。
3 结束语
压电式四维力传感器采用了32片石英晶片,结构上比原16片的复杂。经ANSYS软件分析得知,该传感器维间干扰很小,力电转换效率也比原结构提高了2%～3%,但这些结果忽略了弹性膜片对该参数的影响。
通过对该新型晶片组的有限元仿真分析,初步验证了该传感器结构设计的合理性和有效性,不仅能够实现空间四方向上力或力矩的测量,还改善了静态特性。
参考文献
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[3]刘京诚,刘俊,李敏.基于压电式新型三维力传感器的设计[J].压电与声光,2005(6):33-35
压电传感器横向灵敏度改善方法 篇8
压电传感器作为典型的力电转换元件, 工程上经常用于加速度、振动、冲击等的测量。在测量过程中, 影响压电传感器工作性能的因素有很多。其中有系统的因素, 如传感器重量的负载影响、安装差异的影响、高低频响应相移的影响、横向灵敏度以及环境温、湿度的影响等;也有随机的因素, 如声场效应、电磁场效应、基座应变效应等。在这里主要讨论横向灵敏度问题。
2 横向灵敏度的概念及影响因素
2.1 基本概念
横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其轴向灵敏度方向垂直的单位加速度振动时的灵敏度, 一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示, 称为横向灵敏度比。
2.2 影响横向灵敏度的因素
压电加速度传感器横向灵敏度产生的原因有很多。 (1) 结构设计不合理。压电加速度传感器有很多种结构型式, 压缩式、剪切式等, 不同的结构对横向灵敏度的影响是不一样的。 (2) 机械加工精度不够。压电加速度传感器中的零部件, 它们的表面粗糙度、形位精度等都会使装配后的压电加速度传感器的最大电信号灵敏轴与主轴方向不重合, 从而输出横向电信号。 (3) 装配精度不够。装配工艺是加速度传感器生产中的一个重要环节, 实验表明, 装配精度不够所带来的误差很容易造成横向灵敏度超差现象。除此之外, 压电元件本身的横向压电效应以及压电元件自身各部分的压电常数不一致等也是产生横向灵敏度的原因。
横向灵敏度比指标集中反映了一只压电加速度传感器的内在质量缺陷, 它是衡量压电加速度传感器质量的一项极其重要的技术指标。国家标准规定, 振动用的加速度传感器横向灵敏度比应小于5%, 冲击用的加速度传感器横向灵敏度比小于10%。由此可见, 采取措施减小压电传感器的横向灵敏度误差具有一定的现实意义:一方面, 它能进一步提高压电传感器的使用性能, 为高冲击下的精确测量提供可靠的数据;另一方面, 它可以提高该指标的合格率, 降低成本, 为企业增加经济效益。
3 减小横向灵敏度的方法
3.1 采用合理的结构及尺寸
压电传感器产生横向灵敏度的主要表现就是有横向电信号输出, 因此, 减小横向信号输出是减小横向灵敏度的有效途径。从结构上说, 压电加速度传感器分为压缩型 (通过拧紧质量块对压电片施加预压缩力) 和剪切型 (利用压电元件受剪切应力而产生压电效应) 。剪切型结构具有很高的灵敏度, 而且横向灵敏度小, 其他方向的作用力造成的测量误差小。事实表明, 剪切型结构可以将横向灵敏度控制在3%以内, 比压缩型结构的横向输出信号更小一些。对于压缩型而言, 当质量块重心离压电组件重心较远时, 若加速度传感器受到横向振动就很容易产生横向信号输出, 故采用压缩型结构时在布局上应该使质量块的重心与压电组件的重心尽量趋近。
对于石英晶片来说, 我们把沿X轴方向施加作用力产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”, 而把沿Y轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。当人们用石英制成压缩型结构的压电加速度传感器时, 正是利用了“横向压电效应”来进行测试的。此时X轴是压电传感器的主轴, 而石英的Y轴又恰好垂直于加速度传感器的主轴, 当传感器受到垂直于主轴的横向作用力时, 由于石英“横向压电效应”的存在, 故传感器必然会有电信号输出, 这便产生了横向灵敏度。“横向压电效应”的表达式为
式中d12—压电系数 (C/N) ;
FY—沿机械轴Y方向施加的作用力 (N) ;
a—石英晶体切片沿Y轴方向的尺寸;
b—石英晶体切片沿X轴方向的尺寸。
由式 (1-3) 可知, 要减小横向信号输出即减小横向灵敏度, 在切割石英压电元件时, 应尽量增大X轴方向的尺寸而减小Y轴方向的尺寸。
3.2 减小零件形位误差及表面粗糙度
压电加速度传感器中压电元件、质量块、壳体、基座等零件, 它们两表面的平行度、圆柱面与端面的垂直度、表面的粗糙度误差等过大都会导致装配后传感器其主轴与最大电信号灵敏轴不重合, 从而产生横向灵敏度。因此, 对零件的关键表面, 在考虑加工成本的基础上, 尽量使形位误差和表面粗糙度越小越好。为了满足国家标准对横向灵敏度大小的要求, 一般来说, 对于零件关键表面之间的不垂直度和不平行度的允许误差要求应根据具体的几何尺寸而定。而对零件关键表面的粗糙度Ra的最低要求是不能高于0.8, 一般都应达到0.2左右。
3.3 针对装配环节进行调整与修正
我们知道, 压电加速度传感器的横向灵敏度是有方向性的, 在装配传感器的过程中, 通过仔细调整压电转换元件, 总能找到一个较为理想的位置使横向灵敏度的值不会很大。
此外, 在装配压电传感器时, 由于零件本身迭加并施加有一定的预紧力, 这样就很容易在里面产生一些附加应力。在进行传感器标定时, 应力分布的不均将增大横向电信号的输出进而产生横向灵敏度。减小的方法就是消去应力, 比较简单的做法是可以将装配好的传感器放置一段时间, 等应力自然消除后再进行标定。
4 结语
压电式传感器 篇9
随着我国交通运输业的不断发展,货运部门为提高运输效率和经济效益,改装货车车身,后桥和轮胎大幅度提高装载能力[1]。这不仅诱发了大量的安全事故,严重破坏了路桥基础设施,并产生了更加严重的噪声,振动,空气污染等环境问题。传统的静态称重系统已不能满足高速公路行驶车辆的称重;因此,速度快、准确度高、成本低的车辆动态称重系统对公路交通部门加强公路运输的管理,实施超限处理,保障行车安全,降低公路的养护成本等方面有着显著的社会效益和经济效益。
1、压电石英传感器动态称重系统的硬件设计
1.1 动态称重系统的基本组成和工作流程
本系统采用的是轴计重的动态称重方式;即分别测出车辆各轴的轴重,再由称重系统计算出整车的重量。系统主要由称重传感器、信号采集系统(包括数据中心处理器、信号处理器)、轮轴识别器、红外光栅车辆分离器、地感线圈、车辆检测器等组成[2]。当车辆经过秤台时,传感器信号输入到数据处理中心,对车辆重量数据进行处理,计算出每个轴的重量和总重,当车辆驶出称重区时,地感线圈与红外光栅按顺序发出信号,表示一辆车称重工作结束。信号处理器根据轮轴识别传感器的信号判断出每轴的轮胎数、轴型及车型,从而得到轴型及规定的标准值,与实测值比较得到超限结果。地感线圈信号为车辆称量的收尾信号,保证车辆连续进入称重区时,准确的区分每辆车的检测数据。地感线圈与红外光栅完成正常行驶与倒车的检测,确保数据的准确性,并对车辆以外的物体和人通过时进行判断,避免出错。当红外车辆分离器与地感车辆检测器有一个发生故障时,系统仍能正常工作。其工作流程如图1所示:
1.2 动态称重系统的数据采集系统
汽车是一个多自由度的复杂动力系统,由于路面的不平度、车辆自身、轮胎的弹性,发动机的振动以及驾驶员操作的不稳定等都会影响数据采集的准确性。因此,在称量的过程中,选择适当的传感器和设计合理的数据采集系统可以有效提高动态称重系统的精度。
在数据采集过程中,采样周期△T或采样频率f的正确选择直接影响系统的性能和成本;本系统中采样频率f的计算公式为[3]:
式中:v—车辆行驶速度,km/h;
t—轮胎与传感器的接触时间,s:
m—最低采样点数,个;
L—轮胎印迹的长度,m;
f—采样频率,Hz。
如图2为本系统的测量链;其中石英传感器的长度在0.75m到1m之间,一般4个传感器组合在一起覆盖一个车道,两个传感器并联在一起作为一个通道,位于电荷放大器之前。此连接可以实现对左右轮单独的测量;当是双胎时,石英传感器的输出信号是两个轮胎载荷的和。处理系统为电子控制箱,控制地感线圈,称重传感器等;实现传感器,地感线圈,轮胎识别器数据的采集和处理。
2、压电石英传感器动态称重系统的软件设计
2.1 数据处理算法设计
数据处理是动态称重系统中数据误差消除的关键,车辆通过称重传感器的过程中不仅有真实车重还有许多干扰信号。因此,找出真实的汽车重量信号,设计合理的数据处理算法才能对称重系统进行处理。由压电石英传感器特性可知,传感器采集到的信号峰值不能作为轴重数据,传感器只能被轮胎部分覆盖;车辆的轴重与采集到的信号的面积关系为:
式中:W一轴重,t;
v—车辆行驶速度,km/h;
Ls—传感器宽度,m:
A—∑(uibi),其中ui为输出电压,bi为基准线;
C—常数。
(1)确定阈值在点t1、t2 (t1、t2为开始记录前轴波形的时间)进行触发,阈值一般为波峰值的0.5%-1%。在实际实验测量时由于测出的波峰值是不准确的,所以需要根据经验值进行确定。
(2)计算传感器输出曲线以下部分从开始点到结束点的面积。
(3)校准常数C由已知重量的汽车测试得到。并且在随后汽车重量的估计中作为一个常数使用。
(4)对于温度的影响,速度的影响或者老化的问题不需要补偿的算法(因为对于线状传感器除了速度以外的其他影响因素在计算W的过程中都是不需要的)[4]。
数据处理算法设计的流程框图如图3所示;针对压电石英称重传感器采集信号的特点,需要首先选出采集信号的上半周,用巴特沃思低通滤波器滤掉高频干扰信号,再对前后轴的信号波形进行积分,得到前后轴的重量,最终得到整车的质量[5]。其中截止频率是由试验路面的等级,路面的不平度,以及汽车的行驶速度确定出的激振频率f;
式中:v—汽车行驶速度,km/h;
λ—路面波长,m。
由公式(3)可以得出巴特沃斯低通滤波器的截止频率f0满足f0>2×f。
2.2 试验过程
本实验采用奇石乐公司生产的石英动态称重传感器,传感器的宽度记为Ls。两排石英传感器与行驶方向垂直,采用2×2m的地感线圈,石英传感器与地感线圈的距离取为0.3m;同一车道传感器之间的距离为4m,为保证测出速度误差尽量小,传感器平行度小于4mm。合理设置各个仪器的参数,试验车辆以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h的速度通过称重系统,石英传感器采集到的信号经过电荷放大器,A/D转换器存入计算机。记录试验场路面的类型,结合车速确定出激振频率,试验做完后,断开测量电路,把仪器设备放归原处,试验车辆开回原来的停放地。如出现故障及时维修。
2.3 系统显示界面的设计
本系统采用MATLAB中的图形用户界面(GUI)实现显示界面的设计,其具有操作简便,可视性好,对界面的操作可通过触摸式按钮实现;具有较强的人机交互功能。
由上述试验过程测得的数据,如图4显示的是试验车辆以20km/h的速度通过称重台的试验结果;界面包括原始信号,输入信号,滤波,找出z与阈值1的交点,找出z与阈值2的交点,执行结果显示共六个按钮。由于输入信号中包含了众多的干扰信号,需要用巴特沃斯低通滤波器进行滤波,得到“滤波后”的信号波形。滤波后的信号波形与输入信号相比,幅值会有所下降。利用MATLAB程序找出信号波形前后轴的波峰值,分别乘以0.5%得到前轴对应的阈值1和后轴对应的阈值2[6]。又因为找到“滤波后”的波形z与阈值的交点后直接用MATLAB画出的图像不能很好的显示出两者的交点,将图像放大,直至能明显的显示出两者的交点。这样,就得到了z与两个阈值的交点图(“z与阈值1的交点”、‘z与阈值2的交点”)。
3、结论
基于压电石英传感器的动态称重系统通过传感器采集称重信号,巴特沃斯低通滤波器滤波,得到车辆的截止频率,采用轴计重的方式得到整车的质量。系统包括数据采集系统,信号处理系统,电子控制器和显示操作界面;系统的设计对于解决车辆超载,对公路建设与管理有着重要的意义。本系统通过试验验证具有称重精度高,测量速度快,时间短等优点,测试过程中,系统运行稳定,数据通信可靠,达到了预期目标。
摘要：国内公路运输的超重现象十分严重,车辆的超载运输对交通安全,运输市场,路桥基础设施等造成极大危害;车辆动态称重技术作为一种有效的车辆超载管理手段,取得了较好的效果。本文设计了一种基于压电石英称重传感器的动态称重系统,通过传感器采集信号,巴特沃斯滤波器低通滤波,确定激振频率和截止频率,测量车辆轴数,通过计算得出轴重,进而得到整车重量。试验结果表明,本系统具有测量精度高、耗时短、效率高等优点;有一定的实际应用价值。
关键词：动态称重,数据采集,信号处理,硬件设计,软件设计
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