基于CTGS的高温压电加速度传感器研究

近年来,航空航天领域的飞速发展要求振动测量技术能耐受更高温度,因此高温压电加速度传感器备受关注。通过优化压电晶体切型和设计质量块结构,该文设计并制备了基于硅酸镓钽钙（CTGS）压电单晶材料的压电加速度传感器。实验结果表明,该传感器的谐振频率约为2.2 kHz。在振动频率为100 Hz~1.1 kHz下,常温时传感器的电荷灵敏度基本稳定,平均值为2.44 pC/g（g=9.8 m/s2）。在常温~600 ℃内,传感器的电荷灵敏度基本保持不变,1.1 kHz振动频率下传感器的电荷灵敏度平均值为2.56 pC/g。该传感器能在600 ℃高温下稳定工作。     

驻极体声传感器及其储电材料的现状

综述了驻极体声传感器及其储电材料近年来的迅猛发展。传统的FEP(tetrafluoroethylene—hexa—fluoropropylene copolymer)极体电容式声传感器及以铁电聚合物PVDF(poly vinylidene fluoride)家族为芯片的声传感器和超声抉能器仍焕发着青春活力。Si基微型驻极体声传感器的理论和实验研究已经日趋成熟，而用空间电荷型多孔聚合物驻极体压电薄膜为芯片可望研制出新一代声电和电声传感器、压力传感器和驱动器。     

压电传声器的设计与改进

用多孔压电驻极体薄膜替代传统驻极体电容式传声器(ECM)的声电转换单元,制作出压电传声器。利用压电驻极体超薄的优势和对结构进行改进,将压电传声器的厚度从3mm降低到了1mm。为了解决压电传声器灵敏度低的问题,在后端电路采用了30dB增益的管芯。同时,为了减小寄生电容对灵敏度的影响,采用了单面布铜的印刷线路板(PCB),但将该传声器接入手机使用时会有电磁干扰(EMI)。改进PCB的设计,采用双面布铜的PCB,加强了电磁屏蔽,成功解决了压电传声器的EMI问题。最后,利用压电驻极体薄膜的防水性,并对压电传声器的电路进行了防水保护,使得压电传声器达到了IPX7防水标准。     

基于压电传感器的放大电路分析

压电式传感器是压电地震检波器系统设计的核心,为了提高传感器的灵敏度,减少测量误差,需要将压电式传感器输出的微弱信号进行放大处理,本文就基于压电式传感器的放大电路展开分析和研究,介绍了压电式传感器的工作原理,分析了放大电路原理,对电压放大电路和电荷放大电路的分析。     

新型压电驻极体脉搏分析仪

利用多孔压电驻极体薄膜制备压电传感器,贴在手腕上采集脉搏振动的信号,并配上相应的后端电路和显示装置,制造出一种新型的压电驻极体脉搏分析仪。由于采用压电驻极体薄膜作为脉搏传感器的换能器,脉搏分析仪的灵敏度高,失真度低,重复性好。在脉搏分析仪中,采用塑化膜的形式封装压电电极,易引入干扰。采用压电麦克风的封装形式的传感器抗干扰能力强,且场效应晶体管(FET)易集成,成本低,实测的波形图近似于典型心电图波形,具有很大的医疗参考价值。     

压电式微传声器的设计与测量方法的匹配

针对压电式微传声器的两种测量方法,研究了提高微传声器灵敏度的方法。对于电荷测量法,前置放大电路应采用并联负反馈的方式;对于电压测量法,前置放大电路应采用串联负反馈的方式;并且选用高输入阻抗的放大器作为前置放大器。根据理论推导不同材料在不同测量方法下的灵敏度,发现在电荷测量法下用PZT制备的微传声器与在电压测量法下用ZnO制备的微传声器的灵敏度都比较高。用ANSYS软件对四边固支ZnO压电式微传声器进行静力分析,发现薄膜上最大电压为7.89mV,最小电压为-5.55mV。根据薄膜上的应力分布,针对两种测量方法,优化设计了两种不同的新型微传声器结构。     

常用元器件的识别与使用（十七） 可逆向换能的压电陶瓷片

压电陶瓷片是电子爱好者使用最为普遍的一种能够逆向换能的电声元件，它既可用作发声器（“电-声”转换），又能用作声音检拾器（“声-电”转换），还可作为力敏传感器等，其特点是结构简单、超薄型（一般厚度小于1mm）、功耗低、灵敏度高、可逆向转换信号、耐高压（即使两端施加100V电压也安然无恙）、不易损坏、价格便宜、使用方便。     

低频荷载下PVDF压电薄膜检测电路的研究

针对PVDF压电薄膜传感器内阻大、低频荷载下输出信号微弱以及易受外界噪声干扰的问题,设计了一种由双电容负反馈差分电荷放大电路和二阶低通滤波电路组成的检测电路。在0.2 ~20 Hz低频荷载下分别用该检测电路和传统检测电路对PVDF压电薄膜传感器进行检测,并将实验结果进行了对比分析。结果表明,该检测电路的输出电压幅值提高了90%,且具有较强的抗干扰能力,能降低后级电路信号处理的难度。     

驻极体传声器测试方法及测试仪器

驻极体传声器是一种微型声电换能器,用来将声信号变换成电信号,它是一种电容式换能器。这种传声器具有频率响应范围宽且平直、线性度好、动态范围大、失真小、稳定性好、价格低和体积小等优点。由于采用予极化技术,因而不需另加极化电压,使用更加方便。现在它不仅应用于录音机等音响设备作传声器使用,而且也应用于电话机中作送话器使用。驻极体传声器测试主要技术指标有灵敏度、频率响应和工作电流。基本测试电路如图１所示。根据传声器中场效应管接法,有漏极输出（图１（ａ》和源极输出（图１（ｂ））两种形式。图１中Ｅ为工作电压,…     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

电荷驱动在高速压电致动平台中的应用

一个高速压电驱动平台的性能经常被支撑结构的低谐振频率所限制。采用一种非对称致动器可消除传到基座上的惯性力,但传统的电压驱动方法会引起严重的率相关迟滞,惯性力补偿效果不佳。该文提出采用电荷驱动法来消除非对称致动器产生的惯性力。实验表明,在激励电压峰-峰值为20V时,采用电荷驱动法,在110Hz~10kHz内惯性力基本消除,补偿效果比电压驱动方法好。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

多单元压电陶瓷类变形镜高压驱动电源

针对变形镜压电陶瓷类驱动器单元数多的特点,设计一种高带宽适合扩展成多通道输出的压电陶瓷驱动电源,它利用光耦分相隔离从源极驱动功率NMOS管,简化了电路结构并保证了功率带宽。该驱动电源驱动100 nF容性负载时,可实现单端到地-300~＋300 V双极性高压输出,电压增益35.5 dB,信号不失真情况下,小信号响应频率达10 kHz,大信号响应频率2 kHz,瞬时充放电电流可达400 mA。实验表明该驱动电源的性能能够满足变形镜驱动的要求且电路结构简单。     

Shear Mode Ultrasonic Transducers from Flexible Piezoelectric PLLA Fibers for Structural Health Monitoring

Shear mode guided waves are highly demanded for underwater structural health monitoring (SHM) applications due to their simplified non-dispersive feature and minimal acoustic energy loss in the presence of liquid. Excitation and detection of pure shear wave are challenging using conventional piezoelectric materials used in the current ultrasonic transducers because they have complex piezoelectric responses mixed with multiple longitudinal, transverse, and shear modes. They also suffer from aging issue due to depoling. Here, conformable shear mode ultrasonic transducers are designed and made of flexible piezoelectric poly (L-lactic acid) (PLLA) fibers on both flat and tubular structures. The electromechanical responses over a macroscopic area of the transducers are evaluated in a wide frequency range up to 500 kHz. The PLLA fiber-based shear mode ultrasonic transducers exhibit a consistent sensitivity of detecting defects in liquid and air. In addition, the only shear mode in PLLA fibers originates from crystal structure without requiring electrical poling to render piezoelectricity, thus does not depole due to aging. The theoretical analyses including ab initio calculations and experimental results on both flat and tubular structures show the great potential of PLLA material and significant advantage of PLLA fiber-based shear mode ultrasonic transducers for underwater SHM applications.     

宽带变压器在压电陶瓷驱动电源中的应用

受高压功率器件的限制,目前市场上压电陶瓷高压驱动电源较少且价格贵。变压器能够实现电压和电流的变换,合理的设计可使其在较宽的频率范围内保持良好的频率响应特性。该文研究了一种基于音频变压器的压电陶瓷高压驱动电源的实现方式,并进行了相关实验,实现了一种空载时-3 dB带宽达4 Hz~380 kHz、输出电压峰 峰值达600 V的驱动电源,可在20 kHz的频率下满负荷驱动2.5 nF的容性负载。     

应用于海底沉积声学原位测量的球形换能器研制

该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器,为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计,制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz,工作频带为2~20 kHz,最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz,工作频带为15~50 kHz,最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明,研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比,性能基本一致,满足相关声学测量需求,这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。     

适合容性负载的高压大功率放大器

设计了一种适合压电陶瓷等容性负载的双极性可调高压大功率线性放大器,它由简单低廉的低压运算放大器、基于功率场效应管(MOSFET)的功率放大级组成主回路,通过电压负反馈构成闭环控制。对电路中各环节的特性进行了分析,并讨论了放大器的性能。该高压放大器在驱动等效电容为60nF的压电陶瓷时,单端到地输出电压为一600～ 600V,电压增益42dB,大信号带宽800Hz,小信号带宽7kHz,充放电电流可达200mA,静态电流可达1．4mA。实验与分析表明,高压直流放大器采用功率场效应管和电压闭环控制后,可拓展放大器通频带,提高放大器输出能力和长时间稳定性。     

压电驻极体材料与电声器件

含封闭孔洞结构的聚合物薄膜经过适当的电极化处理后表现出突出的压电活性。由于它同时具有压电材料和驻极体的特点．被命名为压电驻极体。说明了压电驻极体薄膜的制各方法,以及在传声器上的应用,并给出了制备样品的电声参数：采用的压电驻极体薄膜的准静态压电系数d33为200pC／N,其制成的传声器灵敏度为-61,74dB．与理论计算结果相符。新型的压电传声器的优点在于其设计简单,体积小,可靠性高和成本低,同时外观和尺寸有较大可变空间范围。     

Precision current and charge amplifiers for driving highly capacitive piezoelectric loads

Piezoelectric transducers are known to be highly capacitive loads that exhibit less hysteresis when driven with current or charge rather than voltage. Compliance feedback current and charge amplifiers are introduced. A secondary output voltage feedback loop is employed to prevent DC charging of capacitive loads and to compensate for any voltage or current offsets in the driver circuit. Low frequency bandwidths in the milliHertz range can be achieved.