第6章压电式传感器.ppt

第6章压电式传感器 本章学习要求 掌握压电式传感器的工作原理 等效电路与信号调理电路及其工程应用 2 了解声表面波传感器的工作原理及应用 传感器与测试技术 第6章压电式传感器 6 1工作原理 6 1 1压电效应 某些晶体材料受到外力作用时 不仅发生变形 而且内部被极化表面产生电荷 当外力去掉后 又回到原来状态 这种现象称为正压电效应 6 1 1压电效应 2 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 在未进行极化处理时 不具有压电效应 经过极化处理后 其压电效应非常明显 具有很高的压电常数 未极化极化极化后 6 1 1压电效应 6 1 2压电常数 单位应力所产生的电荷密度称为压电常数 电荷密度与施加的应力成正比 即 垂直x y z轴平面产生的电荷密度 沿x y z轴方向承受的正应力 垂直x y z轴平面承受剪切应力 6 1工作原理 对于石英晶体 压电常数矩阵为 独立常数只有d11和d14 6 1 2压电常数 对于钛酸钡压电陶瓷 压电常数矩阵为 独立的压电常数有三个 即 6 1 2压电常数 6 3等效电路与信号调理电路 6 3 1等效电路 第6章压电式传感器 6 3 2信号调理电路 前置放大器 作用 阻抗变换 放大信号 1 电压放大器 6 3等效电路与信号调理电路 当 即时 6 3 2信号调理电路 2 电荷放大器 与电缆分布电容无关 6 3 2信号调理电路 6 4压电式传感器的应用 6 4 1压电式力传感器 6 4 2压电式加速度传感器 1 工作原理 测量时 通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性连接 传感器感受与试件相同频率的振动 质量块以正比于加速度的交变力作用在压电元件上 压电元件的两个表面就有电荷产生 其电荷量与作用力成正比 即与试件的加速度成正比 6 4压电式传感器的应用 3 应用举例 没有缺陷的桥墩为一坚固整体 相当于一个大质量块 激励后只有一个谐振频率点 加速度响应曲线为单峰 若桥墩有缺陷 其力学系统相当于两个或数个质量 弹簧系统 具有多个谐振频率点 激励后的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰 6 4压电式传感器的应用 压电引信 军用弹丸启爆装置 压电元件安装在弹丸的头部 启爆装置装在弹丸的尾部 平时开关K置a位 电雷管处于短路保险安全状态 弹丸发射后 开关从a处断开与b接通 电雷管处于工作状态 当弹丸与装甲目标接触时 碰撞压力使压电元件产生电荷 电雷管启爆 使破甲弹上的炸药爆炸 摧毁装甲目标 6 4压电式传感器的应用 产品 压力传感器 加速度传感器 力传感器 6 4压电式传感器的应用 6 4 3压电式超声波传感器 压电式超声波传感器 超声波探头 是利用压电元件的逆压电效应 将高频交变电场转换成高频机械振动而产生超声波 发射探头 再利用正压电效应将超声振动波转换成电信号 接收探头 发射探头和接收探头结构基本相同 有时可用一个探头完成两种任务 6 4压电式传感器的应用 1 压电式超声波厚度传感器 在示波器上直接读出发射与接收超声波脉冲之间的时间间隔t和超声波在试件中的传播速度c 由此可计算出被测试件的厚度 6 4压电式传感器的应用 2 压电式超声波流量计 设流体静止时超声波传播的速度为c 流体的流速为v 顺流方向的传播时间为t1 逆流方向的传播时间为t2 则 由于 则 6 4压电式传感器的应用 t uo 案例 超声波探伤 测距 测物 6 4压电式传感器的应用 案例 倒车雷达 6 4压电式传感器的应用 案例 鱼群探测器 6 4压电式传感器的应用 6 5声表面波 SAW 传感器 第6章压电式传感器 6 5 1SAW传感器的结构类型与工作原理 SAW传感器是一种将声表面波技术 电子技术以及薄膜技术集合而成的新型传感器 能将温度 压力 流量 磁场强度 加速度等转换为声表面波振荡频率的变化 2 谐振型SAW振荡器 T1发射SAW T2接收SAW 反射栅构成谐振腔 当SAW在压电基片上传播时 反射栅将产生相干反射 适当设计反射栅的长度和位置 即选择谐振腔长度 在谐振腔内形成驻波 能量被封闭在腔体内 若以某种方式从腔体内取出能量 就可得到单一频率的谐振波 6 5声表面波传感器 6 5 2SAW传感器的应用 1 SAW气体传感器 选择性气体敏感膜覆盖在SAW的传播路径上 当敏感膜吸附气体分子时 会引起敏感膜密度 弹性参数 导电率 介电常数等发生变化 从而引起SAW传播速度和延迟时间变化 导致振荡器频率发生变化 通过检测频率的变化来感知气体浓度 6 5声表面波传感器 2 SAW压力传感器 当膜片受到压力p作用时 中间的叉指换能器受到拉应力作用 边缘的叉指换能器受到压应力作用 从而导致SAW的传播速度变化 结果使SAW振荡器的频率f变化 再由混频器输出差频信号 6 5声表面波传感器 3 SAW温度传感器 当环境温度变化时 改变了SAW的传播速度 从而引起振荡器频率发生变化 由频率变化量来检测温度的变化 6 5声表面波传感器 6 6声发射传感器 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂 以弹性波形式快速释放出应变能的现象称声发射 各种材料声发射频率范围很宽 从次声 声频到超声 多数金属的声发射频带在超声范围内 第6章压电式传感器 声发射AE AcousticEmission 技术是应用仪器检测 分析声发射信号并确定声发射源的技术 利用声发射技术可以对部件的缺陷进行判断和预报 并作出评价 声发射检测诊断特点 1 声发射技术是一种动态无损检测技术 能判断发射的部位和状态 了解缺陷的形成过程和发展趋势 2 声发射检测灵敏度高 被检对象的缺陷在形成初期就有声发射现象 只要及时检测 就可以尽早发现被检对象的缺陷 6 6声发射传感器 案例 利用声发射传感器进行轴承故障诊断 6 6声发射传感器 案例 材料断裂等结构监测 6 6声发射传感器 小结压电式传感器具有工作频带宽 灵敏度高 信噪比高 结构简单 工作可靠