传感器第十一课.ppt

压电陶瓷 属于铁电体一类的物质 是人工制造的多晶体压电材料 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构 原始的压电陶瓷内呈中性不具有压电性质 2 压电陶瓷 极化处理前 施加外电场时 电畴的极化方向发生转动 趋向外电场方向排列 从而使材料得到极化 问题 1 压电效应 电压表不能测出陶瓷片内的极性 自由电荷 束缚电荷 电极 电极 极化方向 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 实线 形变前的情况 虚线 形变后的情况 机械效应 电效应或者机械能 电能的现象就是正压电效应 正压电效应示意图 极化方向 F 正压电效应 d33 压电陶瓷的压电系数 实线 形变前的情况 虚线 形变后的情况 电效应 机械效应或者电能 机械能的现象就是逆压电效应 逆压电效应 比较 石英晶体 居里点温度高 573摄氏度 稳定性好 无热释电现象 但压电常数小 成本高 压电陶瓷 压电常数大 成本低 但居里点温度低 稳定性不如石英晶体 有热释电现象 会给传感器带来热干扰 由于单片压电元件产生的电荷量甚微 制作压电传感器时 为了提高其输出灵敏度 通常采用增加压电片的数目和适当的连接方式 6 2工作原理 一 连接方式 并联方式 特点 输出电荷大 时间常数大适宜测慢速信号以电荷为输出的场合 特点 输出电压大 时间常数小适宜以电压为输出信号输入阻抗很高的场合 串联方式 压电传感器可以看作电荷发生器 图 a 二 等效原理 同时 它也是一个电容器 晶体上聚集正 负电荷的两表面相当于电容的两个极板 极板间物质等效于一种介质 图 b 当两极板聚集异性电荷时 则两极板呈现一定的电压 大小为 电容量 a 等效电压源 b 等效电荷源 注意 压电晶体不适合于静态测量 由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存 即需要测量回路具有无限大的输入阻抗 这实际上是不可能的 压电式传感器与测量仪表连在一起后的完整电路 6 2 3压电式传感器的测量电路 压电式传感器是有源电容器 高内阻 小功率 信号弱 阻抗变换 放大 根据压电传感器等效电路可知 传感器的输出可以是电压信号 也可以是电荷信号 有相应两种形式 1 电压放大器 也称作阻抗变换器 其输出电压与输入电压 传感器的输出电压 成正比 2 电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 电压放大器 阻抗变换器 f Fmsin t 如果压电元件受正弦力的作用 理想情况下 输入电压的幅值为 a 当为静态力时 0 时 前置放大器的输入电压 0所以压电传感器不能测量静态物理量 结论 b 理想情况下 改变电缆长度时 Ce的变化将引起放大器Uim的变化 测量中通常电缆长度需固定 Ce 常数 否则将引入测量误差 电荷放大器具有深度负反馈的高增益放大器 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A构成 由于放大器的开环增益A足够大 并且输入端阻抗很高 放大器输入端几乎没有分流 运算电流仅流入反馈回路Cf 电荷放大器 q 传感器电荷 当A足够大时 a 当A足够大时 输出电压与A无关 与电缆电容Cc无关 改变Cf的大小便可得到所需的电压输出 Cf 100 104pF b 传感器本身的电容Ca和电缆电容Cc将不影响电荷放大器的输出 故电缆引线长度变化不会带来测量误差 使用电压放大器时 测量系统对电缆电容的变化很敏感 连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出 使用电荷放大器时 电缆长度变化的影响几乎可忽略不计 但与电压放大器相比 电荷放大器价格要高很多 电路也较复杂 调整起来也较困难 电压放大器和电荷放大器的主要区别 6 3压电式传感器的应用 压电式加速度传感器 压电元件和质量块为环型 通过螺母对质量块预先加载 使之压紧在压电元件上 测量时将传感器基座与被测对象紧固在一起 输出信号由电极引出 工作原理 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F ma 电荷与加速度a成正比 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小 图6 13压电式刀具切削力测量示意图 工作原理 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 压电式金属加工切削力测量 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 压电式压力传感器 图3 1 7膜片式压电式压力传感器 膜片起密封 预压和传递压力的作用 传感器具有很高的固有频率 高达100kHz以上 尤其适用于动态压力测量 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上 可以感受到玻璃破碎时会发出的振动 并将电压信号传送给集中报警系统