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本文主要研究了具有高纵向压电系数的新型金属/压电陶瓷复合换能器(下称钹式换能器)在振动加速度传感器中的应用。建立了钹式振动加速度传感器的二阶系统模型,给出了灵敏度频率响应特性以及在ω<<ω0时的计算公式。用实验和有限元的方法分析了钹式换能器的力一位移特性和电场一位移特性。在有限元软件ANSYS8.0中建立了钹式换能器的轴对称模型,并对模型施加应力和电场,分析了换能器的不同结构参数对其纵向应变和等效压电常数de33的影响。实验结果和ANSYS计算结果具有很好的匹配性。研究了钹式换能器的固有谐振频率,并对钹式换能器的制作工艺对其固有谐振频率的影响进行了分析。
根据振动传感器的敏感元件在振动过程中机械量与电量的相互转换,产生微弱电荷信号的特性,设计了电荷放大电路。并对设计电荷放大器的频率特性,带宽和噪声进行了分析。
用理论计算结合实验的方法,分析了电压灵敏度Sv与钹式换能器结构参数、振动加速度a和加载质量M之间的关系,得出了以下结果:(1)当端帽厚度fb增加,则电压灵敏度减小;(2)电压灵敏度随着内腔高度f。的增加而增加,在tc=O.5mm时达到最大值,而后减小;(3)压电陶瓷PZT的厚度fp增加,电压灵敏度增加。(4)在一定的振动加速度范围内,钹式振动加速度传感器的电压灵敏度的输出保持一个稳定的值。(5)质量块的质量M增大,电压灵敏度Sv增加。当加载质量或应力超出端帽的承载范围时,端帽将失去弹性,输出电压灵敏度与质量块的质量不再是线性关系。并得出,当钹式换能器的结构参数为tb=O.15mm,tc=0.5mm,fp=0.5mm时,传感器的输出电压灵敏度最高。钹式振动加速度传感器比传统压电式振动加速度传感器的电压灵敏度高30多倍。
研究了钹式振动加速度传感器频率响应特性,在一定的频率范围内,钹式振动加速度传感器的电压灵敏度Sv保持一个稳定的值,不会超出线性区域。随着频率的不断增加,灵敏度出现衰减,本文对此作出了分析。
最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。