第九章 压电式传感器第九章 压电式传感器第一节 压电式传感器的材料与工作原理第二节 压电式传感器的等效电路和测量电路第三节 压电式传感器的应用第九章 压电式传感器第一节 压电式传感器的材料与工作原理压电式传感器:
以某些材料受力后在表面产生电荷的 压电效应 为转换原理的传感器。
用途:
可测量最终能转化为力的各种物理量,如力、压力、
加速度等。
本章目录第九章 压电式传感器一、压电效应正压电效应:
某些材料受到一定方向的外力作用时,内部就产生极化现象,同时在某两个对应的晶面上产生符号相反的电荷;
当外力去掉后电荷消失;当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
逆压电效应:
当对上述材料在一定方向上施加一交变电场(交变电压),在一定晶轴方向上将产生机械形变,外电场消失形变也随之消失。(又称电致伸缩效应)
第九章 压电式传感器二、压电材料压电式传感器大多是利用压电材料的正压电效应制成的。
1、选择的条件
较大的压电常数。
机械强度高,刚度大,具有较高的固有振动频率。
高电阻率和介电常数,具有良好的低频特性。
较高的居里点。(较宽的压电温度范围)
较好的时间稳定性。
第九章 压电式传感器
2、压电材料的分类压电晶体
( 1) 石英晶体 单晶,居里点 575℃,机械强度大、稳定,无热释电效应;但灵敏度低,介电常数小,现在使用越来越少。
( 2)水溶性压电晶体酒石酸钾钠( NaKC4H4O6?4H2O)、磷酸二氢钾( KH2PO4)、硫酸锂( Li2SO4?H2O)。具有较高的压电灵敏度和介电常数;易受潮,机械强度低,适用用于室温和温度低的场合。
( 3)铌酸锂晶体 透明单晶,居里点 1210℃,有良好的压电性能和时间稳定性。
第九章 压电式传感器压电陶瓷经过极化处理的压电陶瓷,多晶,是运用最普遍压电材料 。
钛酸盐系、锆钛酸盐系、铌酸盐系、铌镁酸盐压电半导体既有半导体特性,又有压电性能。如 ZnS,CaS,
CaAs。
利用半导特性制电子器件,利用压电特性制传感器,
结合成集传感器转换与电子线路为一体的新型传感器。
第九章 压电式传感器高分子压电材料不易碎,可大量大面积生产。
聚偏二氟乙烯( PVF2),聚氟乙烯 PVF,
聚氯乙烯 PVC,聚 γ甲基 -L谷氨酸酯 PMG。
利用压电陶瓷粉末加入到高分子化合物中,制成高分子压电陶瓷薄膜,既有柔软性,又有高的压电系数。
本节首页第九章 压电式传感器三、石英晶体的压电效应
1、压电效应天然结构:六角棱柱体晶体学常用三根相互垂直的轴来表示
X
Y
Z
a
b
c
第九章 压电式传感器
Z轴,光轴,中性轴。 纵向轴,与晶体是上下晶椎顶点连线重合。
光线沿该轴通过石英晶体时无折射,沿该轴方向受力时不会产生压电效应。
X轴,电轴。 垂直于 Z轴,经过六棱柱棱线。
在该轴向力的作用下产生 —— 纵向压电效应。
沿该轴方向施力,在垂直于此轴的表面上压电效应最明显。
Y轴,机械轴,力轴。 垂直于 X,Z轴,垂直于棱面。
在该轴向力的作用下产生 —— 横向压电效应。
在电场作用下,该轴向的机械形变最明显。
第九章 压电式传感器
2、产生原因石英是由 SiO2构成,在微观上是以 3个 Si离子和 6个 O离子构成六角晶胞。
a、不受力时
X
Y
1P
2P?
3P
无作用力 0?
XF
正负电荷平衡,外部没有带电现象。
垂直于 X轴的表面上电荷 Q=0
第九章 压电式传感器
b,X轴受压力(纵向压电效应)
0?XF 且为压力上下离子距离减小左右离子距离增大
X
Y
1P
2P?
3P
FX
A
B
第九章 压电式传感器硅离子 被挤入氧离子中间氧离子 被挤入硅离子 中间
X
Y
1P
2P?
3P
FX
上表面 A出现负电荷,
下表面 B出现正电荷。
第九章 压电式传感器
c,X轴受拉力
0?XF 且为拉力上下离子距离增大左右离子距离减小上表面 A出现正电荷,
下表面 B出现负电荷。
X
Y
1P
2P?
3P
FX
A
B
第九章 压电式传感器
d,Y轴受压力(横向压电效应)
0?YF 且为压力上下离子距离增大左右离子距离减小FY
X
Y
1P
2P?
3P
A
B
上表面 A出现正电荷,
下表面 B出现负电荷。
第九章 压电式传感器
e,Z轴受力硅离子和氧离子对称平移,表面无电荷呈现,
故 无压电效应 。
本节首页第九章 压电式传感器纵向压电效应的电荷:
XXXX FdQ?
横向压电效应的电荷:
YXXYXYX Fb
adF
b
adQ
dXX—— 沿 X轴向受力,在垂直于 X轴的晶面上产生电荷的压电常数。
dXY—— 沿 Y轴向受力,在垂直于 X轴的晶面上产生电荷的压电常数。
说明:
沿 Y轴向的压力所引起的电极性与沿 X轴向的压力所引起的极性相反。
沿 Y轴向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体的切片的尺寸有关。
与几何尺寸无关。
与几何尺寸有关。
第九章 压电式传感器四、压电陶瓷的压电效应在一定温度下,用强电场使之电畴规则排列,去掉电场后基本不变,留下很高的剩余极化。
取极化方向为 Z轴,在 Z轴上施力,电荷出现在垂直于 Z轴的表面。
ZZZZ FdQ?
在 Y轴上施力,电荷还出现在垂直于 Z轴的表面。
Y
X
YZYZ A
AFdQ
极化面积受力面积纵向压电系数本节首页第九章 压电式传感器第二节 压电式传感器的等效电路和测量电路一、等效电路压电片受力,在电极表面出现电荷,且两电极上的电荷极性相反,大小相等。极板中间的压电片是电介质,可将压电片看成是一个电容器。
AC A:极板面积( m2)
δ:压电片厚度( m)
ε:压电片的介电常数( F/m)
当极板上聚集异性电荷 时,极板间呈现电压:
C
QU?
本章目录第九章 压电式传感器
1、可等效为一个电压源和一个电容器的 串联 电路。
2、可等效为一个电荷源和一个电容器的 并联 电路。
C
U
C
QU?
C
Q UCQ
电压等效电荷等效第九章 压电式传感器
CiRiCcRa
Ca
u a
3,实际等效电路(与放大器或测量仪表相连)
Ra:传感器漏电阻
Cc:电缆电容
Ri:放大器输入电阻
Cc:放大器输入电容第九章 压电式传感器二、压电片的连接方式在压电式传感器中,压电片一般不用一片,而常采用两片
(或两片以上)粘连在一起使用。
a
b
a?
b?
压电片 1 压电片 2
压电片的 a,b面是有区别的假设单个压电片产生的电荷为 Q,等效电容为 C,
则输出电压为 U=Q/C。
第九章 压电式传感器
1、串联 —— 常用于以 电压 为输出的场合两个压电片串联:
QQ CC 21 UCQU 2
a?
b?
b
a
U
将 a’面与 b面迭合为串联第九章 压电式传感器
2、并联 —— 常用于以 电荷 为输出的场合两个压电片并联:
QQ 2 CC 2 UCQU
a
b
a?
b?
U
有以下两种形式:
a?
b?
b
a
U
本节首页第九章 压电式传感器压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,因此它的测量电路通常需要接入一个 高输入阻抗前置放大器 。其作用为,一是 把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 ;
二是 将传感器输出的微弱信号进行放大 。
压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,
因此前置放大器也有两种形式,电压放大器 和 电荷放大器 。
三,压电式传感器的测量电路第九章 压电式传感器图 9-9
( a) 放大器电路 ( b) 等效电路
A
uoC
iRiCcRa
Ca
(a)
CR
Ca
ui
(b)
uua
1、电压放大器(阻抗变换器)
第九章 压电式传感器电阻,R=RaRi/(Ra+Ri),电容,C=Cc+Ci,
压电元件输出,ua=q/Ca
( 9-1)
在图 9-9( b)中:
若压电元件受正弦力 f=Fm sinωt的作用,则:
传感器输出电荷量,tFdfdQ
m?s in
tUC tFdCQu m
a
m
a
a?
s i ns i n ( 9-2)
幅值:
a
m
m C
FdU ( 9-3)
第九章 压电式传感器放大器输入电压 ui,R
Cj
R
Cj
R
Cj
R
Cj
Cj
u
u
a
a
i
1
1
1
1
1
( 9-4)
fd
CCRj
Rj
a
)(1?
m
a
im FdCCRj
Rju?
)(1?
( 9-5)
第九章 压电式传感器在理想情况下,传感器的 Ra电阻值与前置放大器输入电阻 Ri
都为无限大,即 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1,那么理想情况下输入电压幅值 Uim为
ica
m
im CCC
dFU
( 9-6)
式( 9-6)表明前置放大器输入电压 Uim与频率无关 。
式中 Cc为连接电缆电容,当电缆长度改变时,Cc也将改变,
因而 Uim也随之变化 。 因此,压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换,否则将引入测量误差 。
第九章 压电式传感器一般在 ω/ω0>3时,就可以认为 Uim与 ω无关,ω0
表示测量电路时间常数之倒数,即:
RCCC ica )(
1
0
当作用于压电元件的力为静态力( ω=0)时,前置放大器的输出电压等于零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,所以 压电传感器不能用于静态力的测量 。
第九章 压电式传感器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个反馈电容 Cf和高增益运算放大器构成 。 由于运算放大器输入阻抗极高,
放大器输入端几乎没有分流,故可略去 Ra和 Ri并联电阻 。
f
cfo C
quu ( 9-7)
式中,uo——放大器输出电压;
ucf—— 反馈电容两端电压。
2、电荷放大器第九章 压电式传感器
A
uoC
iq Ca Cc
Cf
图 9-10 电荷放大器等效电路第九章 压电式传感器由运算放大器基本特性,
fica
o CACCC
Aqu
)1(
( 9-8)
通常 A=104~108,因此,当满足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时,式 ( 9-
8) 可表示为
f
o C
qu ( 9-9)
第九章 压电式传感器由式 ( 9-9) 可见,电荷放大器的输出电压 uo只取决于输入电荷与反馈电容 Cf,与电缆电容 Cc无关,且与 q成正比,这是电荷放大器的最大特点 。
为了得到必要的测量精度,要求反馈电容 Cf的温度和时间稳定性都很好,在实际电路中,考虑到不同的量程等因素,Cf的容量做成可选择的,范围一般为 100~104pF。
本节首页第九章 压电式传感器产品压力变送器力传感器加速度计第三节 压电式传感器的应用本章目录第九章 压电式传感器一,压电式测力传感器图 9-11是压电式单向测力传感器的结构图,主要由石英晶片,
绝缘套,电极,上盖及基座等组成 。
图 9-11 压力式单向测力传感器结构图绝缘套石英晶片
F
上盖电极 基座第九章 压电式传感器传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为 0.1~0.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上 。 石英晶片采用 xy切型,利用其纵向压电效应,通过 dXX实现力 —电转换 。 石英晶片的尺寸为 φ8× 1mm。 该传感器的测力范围为
0~50N,最小分辨率为 0.01 N,固有频率为 50~60 kHz,整个传感器重为 10 g。
第九章 压电式传感器金属膜片
oU
F
压电片金属片图 9-12 压电式压力传感器第九章 压电式传感器案例:飞机模态分析第九章 压电式传感器第九章 压电式传感器二,压电式加速度传感器图 9-12是一种压电式加速度传感器的结构图 。 它主要由压电元件,质量块,预压弹簧,基座及外壳等组成 。 整个部件装在外壳内,并由螺栓加以固定 。
图 9-12 压电式加速度传感器结构图预压弹簧压电元件外壳质量块基座第九章 压电式传感器当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即,F=ma ( 9-14)
式中,F——质量块产生的惯性力;
m——质量块的质量;
a——加速度 。
此时惯性力 F作用于压电元件上,因而产生电荷 q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为:
q=dXXF=dXXma
与加速度 a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。
第九章 压电式传感器基底
a
压电片弹簧质量块壳体图 9-12 压电式加速度传感器结构图第九章 压电式传感器惯性式拾振器力学模型第九章 压电式传感器四,压电式金属加工切削力测量图 9-13是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图 。
由于压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷 。 图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,
切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便可测得切削力的变化 。
第九章 压电式传感器图 9-13 压电式刀具切削力测量示意图压电传感器输出信号第九章 压电式传感器五,压电式玻璃破碎报警器
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,
它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波 。 传感器把振动波转换成电压输出,输出电压经放大,滤波,比较等处理后提供给报警系统 。
BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图 9-14所示 。 传感器的最小输出电压为 100 mV,最大输出电压为 100V,
内阻抗为 15~20 kΩ 。
第九章 压电式传感器图 9-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感器
( a) 外形 ; ( b) 内部电路
( a ) ( b )
第九章 压电式传感器报警器的电路框图如图 9-15所示 。 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连 。 为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而频带外衰减要尽量大 。 由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内,这就使滤波器成为电路中的关键 。 只有当传感器输出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号,驱动报警执行机构工作 。
玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管,贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合 。
第九章 压电式传感器图 9-15 压电式玻璃破碎报警器电路框图执行机构比较带通滤波放大传感 器玻璃本章结束第九章 压电式传感器思考题:
1、什么是正、逆压电效应?纵向、横向压电效应又是指什么?
3、压电元件的等效电路可分几类?画出等效图,并写出输出端的输出量表达式。
4、压电片使用时,有几种迭压法?试述各自特点和应用场合。
2、试分析石英晶体产生压电等效原理,并写出输出电荷与压力之间的关系式。
以某些材料受力后在表面产生电荷的 压电效应 为转换原理的传感器。
用途:
可测量最终能转化为力的各种物理量,如力、压力、
加速度等。
本章目录第九章 压电式传感器一、压电效应正压电效应:
某些材料受到一定方向的外力作用时,内部就产生极化现象,同时在某两个对应的晶面上产生符号相反的电荷;
当外力去掉后电荷消失;当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
逆压电效应:
当对上述材料在一定方向上施加一交变电场(交变电压),在一定晶轴方向上将产生机械形变,外电场消失形变也随之消失。(又称电致伸缩效应)
第九章 压电式传感器二、压电材料压电式传感器大多是利用压电材料的正压电效应制成的。
1、选择的条件
较大的压电常数。
机械强度高,刚度大,具有较高的固有振动频率。
高电阻率和介电常数,具有良好的低频特性。
较高的居里点。(较宽的压电温度范围)
较好的时间稳定性。
第九章 压电式传感器
2、压电材料的分类压电晶体
( 1) 石英晶体 单晶,居里点 575℃,机械强度大、稳定,无热释电效应;但灵敏度低,介电常数小,现在使用越来越少。
( 2)水溶性压电晶体酒石酸钾钠( NaKC4H4O6?4H2O)、磷酸二氢钾( KH2PO4)、硫酸锂( Li2SO4?H2O)。具有较高的压电灵敏度和介电常数;易受潮,机械强度低,适用用于室温和温度低的场合。
( 3)铌酸锂晶体 透明单晶,居里点 1210℃,有良好的压电性能和时间稳定性。
第九章 压电式传感器压电陶瓷经过极化处理的压电陶瓷,多晶,是运用最普遍压电材料 。
钛酸盐系、锆钛酸盐系、铌酸盐系、铌镁酸盐压电半导体既有半导体特性,又有压电性能。如 ZnS,CaS,
CaAs。
利用半导特性制电子器件,利用压电特性制传感器,
结合成集传感器转换与电子线路为一体的新型传感器。
第九章 压电式传感器高分子压电材料不易碎,可大量大面积生产。
聚偏二氟乙烯( PVF2),聚氟乙烯 PVF,
聚氯乙烯 PVC,聚 γ甲基 -L谷氨酸酯 PMG。
利用压电陶瓷粉末加入到高分子化合物中,制成高分子压电陶瓷薄膜,既有柔软性,又有高的压电系数。
本节首页第九章 压电式传感器三、石英晶体的压电效应
1、压电效应天然结构:六角棱柱体晶体学常用三根相互垂直的轴来表示
X
Y
Z
a
b
c
第九章 压电式传感器
Z轴,光轴,中性轴。 纵向轴,与晶体是上下晶椎顶点连线重合。
光线沿该轴通过石英晶体时无折射,沿该轴方向受力时不会产生压电效应。
X轴,电轴。 垂直于 Z轴,经过六棱柱棱线。
在该轴向力的作用下产生 —— 纵向压电效应。
沿该轴方向施力,在垂直于此轴的表面上压电效应最明显。
Y轴,机械轴,力轴。 垂直于 X,Z轴,垂直于棱面。
在该轴向力的作用下产生 —— 横向压电效应。
在电场作用下,该轴向的机械形变最明显。
第九章 压电式传感器
2、产生原因石英是由 SiO2构成,在微观上是以 3个 Si离子和 6个 O离子构成六角晶胞。
a、不受力时
X
Y
1P
2P?
3P
无作用力 0?
XF
正负电荷平衡,外部没有带电现象。
垂直于 X轴的表面上电荷 Q=0
第九章 压电式传感器
b,X轴受压力(纵向压电效应)
0?XF 且为压力上下离子距离减小左右离子距离增大
X
Y
1P
2P?
3P
FX
A
B
第九章 压电式传感器硅离子 被挤入氧离子中间氧离子 被挤入硅离子 中间
X
Y
1P
2P?
3P
FX
上表面 A出现负电荷,
下表面 B出现正电荷。
第九章 压电式传感器
c,X轴受拉力
0?XF 且为拉力上下离子距离增大左右离子距离减小上表面 A出现正电荷,
下表面 B出现负电荷。
X
Y
1P
2P?
3P
FX
A
B
第九章 压电式传感器
d,Y轴受压力(横向压电效应)
0?YF 且为压力上下离子距离增大左右离子距离减小FY
X
Y
1P
2P?
3P
A
B
上表面 A出现正电荷,
下表面 B出现负电荷。
第九章 压电式传感器
e,Z轴受力硅离子和氧离子对称平移,表面无电荷呈现,
故 无压电效应 。
本节首页第九章 压电式传感器纵向压电效应的电荷:
XXXX FdQ?
横向压电效应的电荷:
YXXYXYX Fb
adF
b
adQ
dXX—— 沿 X轴向受力,在垂直于 X轴的晶面上产生电荷的压电常数。
dXY—— 沿 Y轴向受力,在垂直于 X轴的晶面上产生电荷的压电常数。
说明:
沿 Y轴向的压力所引起的电极性与沿 X轴向的压力所引起的极性相反。
沿 Y轴向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体的切片的尺寸有关。
与几何尺寸无关。
与几何尺寸有关。
第九章 压电式传感器四、压电陶瓷的压电效应在一定温度下,用强电场使之电畴规则排列,去掉电场后基本不变,留下很高的剩余极化。
取极化方向为 Z轴,在 Z轴上施力,电荷出现在垂直于 Z轴的表面。
ZZZZ FdQ?
在 Y轴上施力,电荷还出现在垂直于 Z轴的表面。
Y
X
YZYZ A
AFdQ
极化面积受力面积纵向压电系数本节首页第九章 压电式传感器第二节 压电式传感器的等效电路和测量电路一、等效电路压电片受力,在电极表面出现电荷,且两电极上的电荷极性相反,大小相等。极板中间的压电片是电介质,可将压电片看成是一个电容器。
AC A:极板面积( m2)
δ:压电片厚度( m)
ε:压电片的介电常数( F/m)
当极板上聚集异性电荷 时,极板间呈现电压:
C
QU?
本章目录第九章 压电式传感器
1、可等效为一个电压源和一个电容器的 串联 电路。
2、可等效为一个电荷源和一个电容器的 并联 电路。
C
U
C
QU?
C
Q UCQ
电压等效电荷等效第九章 压电式传感器
CiRiCcRa
Ca
u a
3,实际等效电路(与放大器或测量仪表相连)
Ra:传感器漏电阻
Cc:电缆电容
Ri:放大器输入电阻
Cc:放大器输入电容第九章 压电式传感器二、压电片的连接方式在压电式传感器中,压电片一般不用一片,而常采用两片
(或两片以上)粘连在一起使用。
a
b
a?
b?
压电片 1 压电片 2
压电片的 a,b面是有区别的假设单个压电片产生的电荷为 Q,等效电容为 C,
则输出电压为 U=Q/C。
第九章 压电式传感器
1、串联 —— 常用于以 电压 为输出的场合两个压电片串联:
QQ CC 21 UCQU 2
a?
b?
b
a
U
将 a’面与 b面迭合为串联第九章 压电式传感器
2、并联 —— 常用于以 电荷 为输出的场合两个压电片并联:
QQ 2 CC 2 UCQU
a
b
a?
b?
U
有以下两种形式:
a?
b?
b
a
U
本节首页第九章 压电式传感器压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,因此它的测量电路通常需要接入一个 高输入阻抗前置放大器 。其作用为,一是 把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 ;
二是 将传感器输出的微弱信号进行放大 。
压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,
因此前置放大器也有两种形式,电压放大器 和 电荷放大器 。
三,压电式传感器的测量电路第九章 压电式传感器图 9-9
( a) 放大器电路 ( b) 等效电路
A
uoC
iRiCcRa
Ca
(a)
CR
Ca
ui
(b)
uua
1、电压放大器(阻抗变换器)
第九章 压电式传感器电阻,R=RaRi/(Ra+Ri),电容,C=Cc+Ci,
压电元件输出,ua=q/Ca
( 9-1)
在图 9-9( b)中:
若压电元件受正弦力 f=Fm sinωt的作用,则:
传感器输出电荷量,tFdfdQ
m?s in
tUC tFdCQu m
a
m
a
a?
s i ns i n ( 9-2)
幅值:
a
m
m C
FdU ( 9-3)
第九章 压电式传感器放大器输入电压 ui,R
Cj
R
Cj
R
Cj
R
Cj
Cj
u
u
a
a
i
1
1
1
1
1
( 9-4)
fd
CCRj
Rj
a
)(1?
m
a
im FdCCRj
Rju?
)(1?
( 9-5)
第九章 压电式传感器在理想情况下,传感器的 Ra电阻值与前置放大器输入电阻 Ri
都为无限大,即 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1,那么理想情况下输入电压幅值 Uim为
ica
m
im CCC
dFU
( 9-6)
式( 9-6)表明前置放大器输入电压 Uim与频率无关 。
式中 Cc为连接电缆电容,当电缆长度改变时,Cc也将改变,
因而 Uim也随之变化 。 因此,压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换,否则将引入测量误差 。
第九章 压电式传感器一般在 ω/ω0>3时,就可以认为 Uim与 ω无关,ω0
表示测量电路时间常数之倒数,即:
RCCC ica )(
1
0
当作用于压电元件的力为静态力( ω=0)时,前置放大器的输出电压等于零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,所以 压电传感器不能用于静态力的测量 。
第九章 压电式传感器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个反馈电容 Cf和高增益运算放大器构成 。 由于运算放大器输入阻抗极高,
放大器输入端几乎没有分流,故可略去 Ra和 Ri并联电阻 。
f
cfo C
quu ( 9-7)
式中,uo——放大器输出电压;
ucf—— 反馈电容两端电压。
2、电荷放大器第九章 压电式传感器
A
uoC
iq Ca Cc
Cf
图 9-10 电荷放大器等效电路第九章 压电式传感器由运算放大器基本特性,
fica
o CACCC
Aqu
)1(
( 9-8)
通常 A=104~108,因此,当满足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时,式 ( 9-
8) 可表示为
f
o C
qu ( 9-9)
第九章 压电式传感器由式 ( 9-9) 可见,电荷放大器的输出电压 uo只取决于输入电荷与反馈电容 Cf,与电缆电容 Cc无关,且与 q成正比,这是电荷放大器的最大特点 。
为了得到必要的测量精度,要求反馈电容 Cf的温度和时间稳定性都很好,在实际电路中,考虑到不同的量程等因素,Cf的容量做成可选择的,范围一般为 100~104pF。
本节首页第九章 压电式传感器产品压力变送器力传感器加速度计第三节 压电式传感器的应用本章目录第九章 压电式传感器一,压电式测力传感器图 9-11是压电式单向测力传感器的结构图,主要由石英晶片,
绝缘套,电极,上盖及基座等组成 。
图 9-11 压力式单向测力传感器结构图绝缘套石英晶片
F
上盖电极 基座第九章 压电式传感器传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为 0.1~0.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上 。 石英晶片采用 xy切型,利用其纵向压电效应,通过 dXX实现力 —电转换 。 石英晶片的尺寸为 φ8× 1mm。 该传感器的测力范围为
0~50N,最小分辨率为 0.01 N,固有频率为 50~60 kHz,整个传感器重为 10 g。
第九章 压电式传感器金属膜片
oU
F
压电片金属片图 9-12 压电式压力传感器第九章 压电式传感器案例:飞机模态分析第九章 压电式传感器第九章 压电式传感器二,压电式加速度传感器图 9-12是一种压电式加速度传感器的结构图 。 它主要由压电元件,质量块,预压弹簧,基座及外壳等组成 。 整个部件装在外壳内,并由螺栓加以固定 。
图 9-12 压电式加速度传感器结构图预压弹簧压电元件外壳质量块基座第九章 压电式传感器当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即,F=ma ( 9-14)
式中,F——质量块产生的惯性力;
m——质量块的质量;
a——加速度 。
此时惯性力 F作用于压电元件上,因而产生电荷 q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为:
q=dXXF=dXXma
与加速度 a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。
第九章 压电式传感器基底
a
压电片弹簧质量块壳体图 9-12 压电式加速度传感器结构图第九章 压电式传感器惯性式拾振器力学模型第九章 压电式传感器四,压电式金属加工切削力测量图 9-13是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图 。
由于压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷 。 图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,
切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便可测得切削力的变化 。
第九章 压电式传感器图 9-13 压电式刀具切削力测量示意图压电传感器输出信号第九章 压电式传感器五,压电式玻璃破碎报警器
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,
它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波 。 传感器把振动波转换成电压输出,输出电压经放大,滤波,比较等处理后提供给报警系统 。
BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图 9-14所示 。 传感器的最小输出电压为 100 mV,最大输出电压为 100V,
内阻抗为 15~20 kΩ 。
第九章 压电式传感器图 9-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感器
( a) 外形 ; ( b) 内部电路
( a ) ( b )
第九章 压电式传感器报警器的电路框图如图 9-15所示 。 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连 。 为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而频带外衰减要尽量大 。 由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内,这就使滤波器成为电路中的关键 。 只有当传感器输出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号,驱动报警执行机构工作 。
玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管,贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合 。
第九章 压电式传感器图 9-15 压电式玻璃破碎报警器电路框图执行机构比较带通滤波放大传感 器玻璃本章结束第九章 压电式传感器思考题:
1、什么是正、逆压电效应?纵向、横向压电效应又是指什么?
3、压电元件的等效电路可分几类?画出等效图,并写出输出端的输出量表达式。
4、压电片使用时,有几种迭压法?试述各自特点和应用场合。
2、试分析石英晶体产生压电等效原理,并写出输出电荷与压力之间的关系式。