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基于新型结构钹式压电换能器的加速度传感器研究

陈君  
【摘要】:钹式结构压电换能器因其特殊的结构,等效压电常数比典型结构压电换能器高数十倍,自提出以来一直是压电复合换能器的研究热点,已成功应用于水听器、能量收集器以及医疗器械等领域。早期钹式压电换能器仅通过粘结剂将压电材料和金属端帽进行固连,易造成钹式换能器在循环载荷或大功率大位移作用下产生粘结层脱胶失效,影响其使用性能,限制了其应用范围。本文研究的新型结构钹式压电换能器除了使用粘结剂进行固连外,同时通过螺栓进行机械连接,提高了疲劳强度,使其可以承受更高的激励电压和输出更大的位移,拓宽了钹式压电换能器的应用领域,具有很好的应用价值和前景。本文首先通过对钹式换能器结构的理论分析和有限元分析,给出了换能器的位移—电压数学模型,并对构建的理论模型进行了验证,接着推导出了灵敏度和等效压电常数数学表达式,分析了换能器结构参数与其性能的关系,同时分析了新型结构钹式压电换能器相比早期钹式压电换能器的优点。然后根据理论分析和有限元分析结果,确定了新型结构钹式压电换能器结构参数,并研究了制作工艺,制作了换能器样品。在传感器信号处理部分,本文设计了电荷放大电路和低通滤波电路,实现了换能器输出信号的阻抗转换,滤除了信号中的高低频干扰信号,并设计制作了PCB印刷电路板。最后基于新型结构钹式压电换能器设计制作了一种加速度传感器。在钹式压电加速度传感器的实验研究中,本文进行了钹式压电换能器和压电陶瓷的对比实验,研究了质量块对换能器性能的影响。同时研究了电荷放大电路中反馈电阻阻值对输出信号的影响,最后对钹式压电加速度传感器进行了性能测试,给出了相关静态指标。实验结果表明:钹式压电换能器灵敏度约是同尺寸典型结构压电陶瓷换能器40倍;本文所设计的钹式压电加速度传感器灵敏度、线性度、迟滞性、重复度分别为22.185mV/m?s-2、1.611%FS、0.304%FS、0.455%FS。


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