大学课件 压电式传感器.ppt

第6章压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 是典型的双向有源传感器 压电式传感器具有体积小 重量轻 工作频带宽等特点 因此在各种动态力 机械冲击与振动的测量 以及声学 医学 力学 宇航等方面都得到了非常广泛的应用 第6章压电式传感器 6 1压电效应及压电材料6 2压电元件的常用结构形式6 3压电式传感器的等效电路和测量电路6 4压电式传感器的结构组成6 5压电式传感器的应用 6 1压电效应及压电材料 6 1 1压电效应6 1 2压电材料 6 1 1压电效应 压电效应某些电介质 沿一定方向受到外力作用时 内部会产生极化现象 同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又会恢复到不带电状态 这种现象称为压电效应 作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 逆压电效应在这些电介质的极化方向上施加电场 它们也会产生变形 电场去掉后 变形随之消失 这种现象称逆压电效应 或电致伸缩效应 6 1 1压电效应 1 石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一 其化学成分为SiO2 是单晶体结构 它理想的几何形状为正六面体晶柱 实际上两端为晶锥形状 通过上下晶锥顶点的z轴称为光轴 在此方向不产生压电效应 6 1 1压电效应 经过正六面体两相对棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴 与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴 按照图示方向切割 得到的压电晶体切片三条棱边分别沿x y z方向 实际切割方向有多种 6 1 1压电效应 通常把沿电轴 x轴 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应 把沿机械轴 y轴 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应 作用力为剪切力时称为切向压电效应 6 1 1压电效应 从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体如图所示 若晶体切片受到x方向的压力Fx作用 在垂直于x轴的平面 称为x面 上所产生的电荷qx与作用力Fx成正比 即 式中 d11为压电系数 当受力方向和变形不同时 压电系数也不同 石英晶体d11 2 31 10 12C N 6 1 1压电效应 从式 6 1 可以看出 此时切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关 即qx与Fx成正比 电荷qx的符号由晶体受压还是受拉决定 6 1 1压电效应 如果在同一切片上作用的力是沿着机械轴y方向的 其电荷仍出现在与x轴垂直的平面上 但极性方向相反 此时电荷的多少与尺寸有关 大小为 当在同一切片的各个面上作用着多个应力时 用d1 d2 d3分别表示垂直于x y z轴的x面 y面 z面上的电荷密度 用s1 s2 s3 s4 s5 s6表示各个面上的应力 用dij表示应力sj对di的贡献大小的系数 称为压电系数 则有 6 1 1压电效应 6 1 1压电效应 此式称为压电晶体的压电方程 6 1 1压电效应 压电方程是压电传感器原理 设计和应用技术的理论基础 它是对压电元件全压电效应的数学描述 反映了压电介质的力学行为与电学行为之间的相互作用 即机 电转换 的规律 为简明起见 所进行的分析基于如下的前提 在讨论正压电效应 即压电效应 时 暂不考虑外界附加电场的作用 在讨论逆压电效应时 暂不考虑外界附加力场的作用 忽略磁场和温度场的影响 6 1 1压电效应 由于对称性 石英晶体的压电系数矩阵表示为 石英晶体独立的压电系数只有两个d11 2 31 10 12C Nd14 0 73 10 12C N 6 1 1压电效应 结论 1 压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存在的 哪个方向上有正压电效应 则在此方向上必定存在逆压电效应 而且力 电之间呈线性关系 2 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应 6 1 1压电效应 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关 一个单元组体中构成石英晶体的硅离子Si4 和氧离子O2 在垂直于z轴的平面上的投影 等效为一个正六边形排列 6 1 1压电效应 当石英晶体未受外力作用时 正 负离子正好分布在正六边形的顶角上 每两个相对顶点上的电荷形成一个电偶极矩 共形成三个互成120 夹角的电偶极矩P1 P2 P3 它们的矢量和为零 电偶极矩的大小为 式中 q为电荷量 l为正负电荷间的距离 6 1 1压电效应 当石英晶体沿x轴方向被压缩时 沿y方向产生拉伸变形 使正负离子的相对位置改变 P1 P2 P3的矢量和不再为零 在x轴方向的分量小于零 因而在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷 在相对表面上产生正电荷 然而 电偶极矩的矢量和在y轴和z轴的分量还是零 所以在垂直于y轴和z轴的晶体表面上不会出现电荷 d21 d31 0 6 1 1压电效应 当石英晶体沿y方向被压缩时 x轴方向产生的电荷极性相反 所以有d12与d11符号相反 另由对称性可知d12与d11大小相等 即 同样 电偶极矩的矢量和在y轴和z轴的分量还是零 所以 d22 d32 0 依此类推 6 1 1压电效应 由压电方程可得 仅在y方向受力Fy的作用时 仅在x平面上产生电荷 即 亦即 6 1 1压电效应 所以 x平面上的电荷量为 6 1 1压电效应 2 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷与石英晶体不同 前者是人工制造的多晶体压电材料 而后者是单晶体 压电陶瓷在未进行极化处理时 不具有压电效应 经过极化处理后 它的压电效应非常明显 具有很高的压电系数 为石英晶体的几百倍 6 1 1压电效应 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构 电畴实质上是自发形成的小区域 每个小区域有一定的极化方向 从而存在着一定的电场 BaTiO3压电陶瓷电畴结构如图所示 但由于电畴分布杂乱无章 未极化时不会产生压电效应 为了使压电陶瓷具有压电效应 就必须在一定温度下对其进行极化处理 即给压电陶瓷加外电场 使电畴规则排列 从而具备压电性能 6 1 1压电效应 外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向 通常取沿z轴方向 左图为施加外电场时的情形 外加电场去掉后 电畴极化方向基本保持原极化方向 如右图所示 因此 压电陶瓷的极化强度不恢复为零 而是存在着很强的剩余极化强度 6 1 1压电效应 此时 在与极化方向垂直的两端面将会出现束缚电荷 一面为正 一面为负 由于束缚电荷的作用 在束缚电荷附近很快吸附一层来自周围外界的自由电荷 且束缚电荷与自由电荷数目相等 极性相反 因此压电陶瓷对外不呈现极性 6 1 1压电效应 当极化后的材料受到外力作用时 电畴的界限发生移动 电畴发生偏转 从而引起剩余极化强度的变化 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化 这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应 将机械能转变为电能的现象 就是压电陶瓷的正压电效应 6 1 1压电效应 用矩阵表示的压电陶瓷的压电方程为 对于BaTiO3压电陶瓷 有d33 190 10 12C Nd31 0 41d33 78 10 12C Nd15 260 10 12C N 6 1压电效应及压电材料 6 1 1压电效应6 1 2压电材料 6 1 2压电材料 压电材料的种类很多 从取材方面看 有天然的和人工合成的 有有机的和无机的 从晶体结构方面看 有单晶的和多晶的 压电式传感器中压电元件的材料选用 应考虑以下几方面的特性 1 转换性能这个特性表明了压电材料 压电 转换的效率 压电材料应具有较大的压电系数或机电耦合系数 6 1 2压电材料 2 机械性能压力元件作为受力元件 希望它的机械强度大 机械刚度大 以便获得较宽的线性范围和较高的固有频率 3 电性能希望压电材料具有高的电阻率和大的介电常数 这样才能减弱分布电容的影响 使压电传感器的频率下限向下延伸 6 1 2压电材料 4 温度性能要求压电材料具有较高的居里点 以便获得较宽的工作温度范围 这是因为居里点是压电材料开始失去压电性的温度 5 长期稳定性要求压电材料的压电特性不随时间蜕变 6 1 2压电材料 1 压电晶体由晶体学可知无对称中心的晶体 通常具有压电性 具有压电性的单晶体统称为压电晶体 石英晶体是最典型而常用的压电晶体 其特点是 1 压电系数小 但其时间和温度稳定性极好 常温下几乎不变 在20 200 范围内其温度变化率仅为 0 016 6 1 2压电材料 2 机械强度和品质因数高 最大安全应力高达95 100MPa 且刚度大固有频率高 动态特性好 3 居里点573 4 无热释电性 且绝缘性 重复性均好 天然石英的上述性能尤佳 因此 石英材料常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器 另一种常用的压电晶体是铌酸锂 其压电系数极高 但机械性能不如石英 6 1 2压电材料 2 压电陶瓷压电陶瓷的特点是 压电系数大 灵敏度高 制造工艺成熟 可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能 成形工艺性也好 成本低廉 利于广泛应用 压电陶瓷除具有压电性外 还具有热释电性 因此它可制作热电传感器而用于红外探测中 但用作压电器件时 会造成热干扰 降低稳定性 所以不适用于高稳定性的压电传感器 6 1 2压电材料 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡 它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的 它的压电系数比石英大得多 但使用温度较低 最高只有80 温度稳定性和机械强度都不如石英 6 1 2压电材料 目前使用较多的是锆钛酸铅PZT系列 它是由钛酸钡和锆酸铅组成的 它有较高的压电系数和较高的工作温度 铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷材料 它是由铌镁酸铅 锆酸铅和钛酸铅按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷 具有很高的压电系数和较高的工作温度 而且能承受较高的压力 6 1 2压电材料 3 压电半导体1968年以来出现了多种压电半导体 例如硫化锌 碲化镉 氧化锌 硫化镉 碲化锌以及砷化镓等 这些材料的显著特点是 既具有压电特性 又具有半导体特性 因此既可用其压电特性研制传感器 又可用其半导体特性制作电子器件 也可以两者结合 集元件与线路于一体 研制成新型集成压电传感器测试系统 6 1 2压电材料 4 有机高分子压电材料其一是某些合成高分子聚合物 经延展拉伸和电极化后成为具有压电性的高分子压电薄膜 如聚氟乙烯 聚偏氟乙烯 聚氯乙烯和尼龙等 这些材料的特点是质轻柔软 抗拉强度高 蠕变小 耐冲击 声阻抗近于水和生物体含水组织 热释电性和热稳定性好 且便于批量生产和大面积使用 可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤 6 1 2压电材料 其二是高分子化合物中掺杂压电陶瓷锆钛酸铅或钛酸钡粉末制成的高分子压电薄膜 这种复合压电材料既保持了高分子压电薄膜的柔软性等特点 又具有较高的压电性和机电耦合系数 6 1 2压电材料 5 压电涂层压电涂层传感器的概念是1993年由日本学者首先提出并进行研究的 它的基本结构是把锆钛酸铅粉末作为填料 令其与环氧树脂胶液一起做充分搅拌 形成压电 环氧树脂溶合涂料 将以上混合剂涂刷在结构表面上 就像通常在结构上刷漆一样 根据实际需要在涂层表面印刷极化电极和传输信号导线 经极化处理就可实现振动传感器 6 1压电效应及压电材料 6 1 1压电效应6 1 2压电材料 第6章压电式传感器 6 1压电效应及压电材料6 2压电元件的常用结构形式6 3压电式传感器的等效电路和测量电路6 4压电式传感器的结构组成6 5压电式传感器的应用 6 2压电元件的常用结构形式 在压电传感器中 为提高压电元件的灵敏度 通常不采用单片结构 而是采用两片或多片组合结构 由于压电元件是有极性的 因此连接的方法有两种 1 并联两压电晶片的负极都集中在中间电极上 正极在两边的电极上 其输出电容C和极板上的电荷量q为单片的两倍 但输出电压U等于单片电压 6 2压电元件的常用结构形式 2 串联正电荷集中在上极板 负电荷集中在下极板 而中间极板的上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消 其输出电压U等于单片电压的两倍 输出电荷量q等于单片的电荷量 总电容为单片的1 2 6 2压电元件的常用结构形式 在这两种接法中 并联接法输出电荷量大 电容也大 故时间常数大 宜用于测慢变信号 并且适用于以电荷为输出量的场合 串联接法输出电压大 电容小 故时间常数小 适用于以电压作为输出信号 测量电路的输入阻抗很高的场合 第6章压电式传感器 6 1压电效应及压电材料6 2压电元件的常用结构形式6 3压电式传感器的等效电路和测量电路6 4压电式传感器的结构组成6 5压电式传感器的应用 6 3压电式传感器的等效电路和测量电路 6 3 1压电式传感器的等效电路6 3 2压电式传感器的测量电路 6 3 1压电式传感器的等效电路 压电传感器可看作是一个电荷发生器 也是一个电容器 既可等效成一个电荷源与一个电容并联的形式 如左图所示 也可等效为一个电压源与一个电容串联的形式 如右图所示 6 3 1压电式传感器的等效电路 若已知极板面积A 压电片厚度h 压电材料的相对介电常数er 则其电容值为 电容器上的电压 或电压源电压 Ua 电荷量q与等效电容Ca三者之间的关系为 6 3 1压电式传感器的等效电路 由等效电路可知 只有在外电路负载为无穷大 且内部无漏电时 电压源才能保持长期不变 如果负载不是无穷大 则电路就会按指数规律放电 只有外力以较高频率不断地作用 传感器的电荷才能得以补充 这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利 所以压电传感器不适宜静态测量 6 3 1压电式传感器的等效电路 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc 放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra 这样 压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示 6 3 1压电式传感器的等效电路 由等效电路可知 压电式传感器的泄漏电阻与前置放大器的输入电阻相并联 为保证传感器和测试系统有一定的低频 或准静态 响应 就要求压电传感器的泄漏电阻在1012W以上 才能使内部电荷的泄漏减少到满足一般测试精度的要求 6 3 1压电式传感器的等效电路 与此相适应 测试系统应有较大的时间常数 即前置放大器要有相当高的输入阻抗 否则传感器的信号电荷将通过输入阻抗泄漏 产生测量误差 6 3 1压电式传感器的等效电路 灵敏度也有两种表示方式 一种用单位外力作用下产生的电压表示 称为电压灵敏度 用Su表示 Su u F 另一种用单位外力作用下产生的电荷表示 称为电荷灵敏度 用Sq表示 Sq q F 它们之间的关系可用下式表示 6 3压电式传感器的等效电路和测量电路 6 3 1压电式传感器的等效电路6 3 2压电式传感器的测量电路 6 3 2压电式传感器的测量电路 测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器 其作用为 把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗 放大传感器输出的微弱信号 前置放大器也有两种形式 电压放大器和电荷放大器 6 3 2压电式传感器的测量电路 1 电压放大器压电传感器接到电压放大器的电路原理图及等效电路如图所示 图中 R Ra Ri C Cc Ci 而Ua q Ca 若压电元件受正弦力F Fmsinwt的作用 则 6 3 2压电式传感器的测量电路 式中 d为压电系数 取决于切割方向及受力情况 Um为压电元件输出电压幅值 由此可得放大器输入端电压Ui 其复数形式为 6 3 2压电式传感器的测量电路 6 3 2压电式传感器的测量电路 由上式可知 放大器输入端电压的幅值及与所测作用力的相位差分别为 6 3 2压电式传感器的测量电路 理想情况下 传感器的泄漏电阻Ra与前置放大器输入电阻Ri都为无限大 即wR Ca C 1 令t 1 w0 R Ca C R Ca Cc Ci t为测量电路的时间常数 则理想情况下输入电压幅值Uim为 6 3 2压电式传感器的测量电路 上式表明 w w0 1时 Uim与频率无关 一般当w w0 3时 就可以认为Uim与w无关 这说明在测量电路时间常数为定值的条件下 压电传感器高频响应很好 这是其优点之一 6 3 2压电式传感器的测量电路 当w w0 3 即被测动态量变化缓慢 而测量电路时间常数也不大的时候 就会造成传感器灵敏度下降 因此 为降低频带下限 必须提高测量回路的时间常数t 6 3 2压电式传感器的测量电路 根据电压灵敏度的定义 显然 如果靠增大测量回路的电容提高t的话 就会影响到传感器的灵敏度 因此通常通过增加电阻R来提高t 当w w0 1时 传感器的电压灵敏度Su近似为 6 3 2压电式传感器的测量电路 当电缆长度改变时 Cc也将改变 因此 使用时不能随意更换电缆 否则将引入测量误差 当作用于压电元件的力为静态力 w 0 时 则前置放大器的输入电压等于零 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻泄漏掉 所以压电传感器不能用于静态测量 6 3 2压电式传感器的测量电路 例6 1已知某压电式传感器测量最低信号频率f 1Hz 现要求在1Hz信号频率时其输出电压下降不超过5 若所用前置电压放大器输入回路总电容Ci 500pF 求该前置放大器输入总电阻Ri是多少 设Ra Cc 0 Ca Ci 6 3 2压电式传感器的测量电路 解由式 6 12 可知 电压前置放大器理想输入电压 对应着测量电路的理想输出电压 幅值Um为wR Ca C wt 1时的Uim 即 6 3 2压电式传感器的测量电路 所以 电压前置放大器实际输入电压 对应着测量电路的实际输出电压 的幅值Uim与理想输入电压幅值Um之比的幅频特性为 式中 w 2pf为作用在压电元件上的信号角频率 t R Ca C Ri Ca Cc Ci Ri Ca Ci RiCi为前置放大器回路的时间常数 6 3 2压电式传感器的测量电路 A w 只有在w 时值为1 其他皆小于1 为保证输出电压下降不超过5 应满足 解得 即 所以 6 3 2压电式传感器的测量电路 2 电荷放大器为改善压电传感器的低频特性 常采用电荷放大器 Cf为电荷放大器的反馈电容 Rf为反馈电阻 在理想情况下 Ra Ri和Rf都趋于无穷大 因此可以略去Ra Ri和Rf 图中未画Ra和Ri 6 3 2压电式传感器的测量电路 Cf的作用相当于改变了输入阻抗 根据密勒定理 可将反馈电容Cf折合到输入端 其等效电容C f 1 A Cf A为运放开环放大倍数 该电容与Ca Cc Ci相并联 于是电荷放大器的等效电路如右图所示 此时忽略了Rf 6 3 2压电式传感器的测量电路 易知 由运放特性得电荷放大器的输出电压为 6 3 2压电式传感器的测量电路 通常A 104 108 因此 当满足 1 A Cf Ca Cc Ci时 上式可表示为 6 3 2压电式传感器的测量电路 由上式可见 Uo只取决于q和Cf 且与q成正比 与电缆电容Cc无关 因此可以采用长电缆进行远距离测量 并且电缆电容变化也不影响灵敏度 这是电荷放大器的最大特点 6 3 2压电式传感器的测量电路 通常 当 1 A Cf大于 Ca Cc Ci 十倍以上时 即可认为灵敏度与Cc无关 但由于电缆的分布电容Cc随传输距离的增加而增加 因此在远距离传输时 仍然需要考虑Cc对测量精度的影响 由此而产生的误差d可由下式求得 6 3 2压电式传感器的测量电路 由上式可知 增加A和Cf均可提高测量精度 或者可在精度保持不变的情况下 增加连接电缆的允许长度 但A也不能无限增大 否则容易产生振荡 使系统稳定性变差 Cf值也受灵敏度的限制 因为 6 3 2压电式传感器的测量电路 在电荷放大器的实际电路中 考虑到被测物理量的不同量程 通常将反馈电容的容量做成可选择的 选择范围一般在100 10000pF之间 再考虑到电容负反馈线路在直流工作时相当于开路状态 因此对电缆噪声比较敏感 放大器的零漂也比较大 为了减小零漂 提高工作稳定性 实际的电荷放大器电路通常还在反馈电容两端并联一个大电阻Rf 约1010 1014W 其作用是提供直流反馈 6 3 2压电式传感器的测量电路 电荷放大器的时间常数RfCf相当大 105s以上 在满足Rf 1 A Ra Ri的条件下 下限截止频率fL 1 2pRfCf 低达3 10 6Hz 6 3 2压电式传感器的测量电路 电荷放大器的上限频率高达100kHz 输入阻抗大于1012W 输出阻抗小于100W 压电式传感器配用电荷放大器时 低频响应比配用电压放大器要好得多 但与电压放大器相比 它的价格较高 电路也较复杂 调整也较困难 6 3 2压电式传感器的测量电路 例6 2电荷前置放大器电路如图所示 已知Ca 100pF Ra Cf 10pF 若考虑引线电容Cc的影响 当A0 104时 要求输出信号衰减小于1 求使用90pF m的电缆时其最大允许长度为多少 6 3 2压电式传感器的测量电路 解利用 令d 1 解得 所以 令Ci 0 A A0 得 6 3压电式传感器的等效电路和测量电路 6 3 1压电式传感器的等效电路6 3 2压电式传感器的测量电路 第6章压电式传感器 6 1压电效应及压电材料6 2压电元件的常用结构形式6 3压电式传感器的等效电路和测量电路6 4压电式传感器的结构组成6 5压电式传感器的应用 6 4压电式传感器的结构组成 广义地讲 凡是利用压电材料的各种物理效应构成的传感器 都可称为压电式传感器 但目前应用最多的还是压电式加速度传感器和压力传感器 压电式传感器的特点如下属能量转换型 发电型 传感器 体积小 重量轻 刚性好 可以提高其固有频率 得到较宽的工作频率范围 灵敏度高 稳定性好 可靠性高 有比较理想的线性 且通常没有迟滞现象 6 4压电式传感器的结构组成 6 4 1压电式加速度传感器6 4 2压电式力和压力传感器 6 4 1压电式加速度传感器 压电式加速度传感器目前已成为振动冲击测试技术中使用广泛的一种传感器 世界各国作为量值传递标准的高频和中频振动基准的标准加速度传感器 都是压电式的 特点是量程大 频带宽 安装简单 适用于各种恶劣环境 体积小 重量轻 它广泛应用于振动冲击测试 信号分析 故障诊断 振动校准等方面 下图是压电加速度传感器的外形 6 4 1压电式加速度传感器 1 工作原理压电元件一般由两块压电片组成 在两个压电片相接触的表面上镀银层 并在银层上焊接输出引线 输出线的另一端直接与基座相连 相当于并联连接 在压电元件上 以一定的预紧力安装一质量块 整个组件装在一个有厚基座的金属壳体中 1 基座 2 压电片 3 质量体 4 弹簧 5 壳体 6 4 1压电式加速度传感器 测量时 通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性地固定在一起 传感器感受与试件相同频率的振动 由于压紧在质量块上的弹簧刚度很大 因此质量块也感受与试件相同的振动 质量块就以一正比于加速度的交变力作用在压电片上 传感器的输出电荷 或电压 与作用力成正比 也就与试件的加速度成正比 6 4 1压电式加速度传感器 力学模型如图所示 m是质量块的质量 c是阻尼系数 k是弹性系数 x是质量块相对于传感器壳体的位移 y是传感器基座的绝对位移 这是典型的惯性式传感器 通常可简化为单自由度二阶振动系统 6 4 1压电式加速度传感器 由力学模型 压电式加速度传感器惯性质量块的运动规律可用下式表示 式中 a为传感器基座的加速度 u dx dt为质量块相对于传感器基座的速度 6 4 1压电式加速度传感器 上式可改写成 其阻尼比为 6 4 1压电式加速度传感器 上式可改写成 固有角频率wn为 6 4 1压电式加速度传感器 由上式得压电式加速度传感器的频率响应函数为 注意 6 4 1压电式加速度传感器 所以 压电式加速度传感器的幅频特性 未归一化 为 6 4 1压电式加速度传感器 压电式加速度传感器的阻尼比x很小 一般不大于0 04 分母中第二项可忽略不计 当 n时 有 亦即 6 4 1压电式加速度传感器 上式说明 n时质量块的相对位移x与物体振动加速度a成正比 通过弹簧作用在传感器上的力也就与a成正比 因此 设计传感器时应尽量提高 n 6 4 1压电式加速度传感器 压电元件在质量块m作用下 产生的电荷量为 对确定的加速度传感器而言 d为与切割方向有关的常数 可以看出 压电式加速度传感器输出的电荷量与物体振动加速度成正比 只要测出q 就实现了对振动加速度的测量 6 4 1压电式加速度传感器 例6 3分析压电式加速度计的频率响应特性 电压前置放大器测量电路的总电容 1000pF 总电阻R 500MW 传感器机械系统固有频率f0 30kHz 相对阻尼系数x 0 5 求幅值误差小于2 时 其使用的频率范围 解根据压电式加速度计频率响应特性可知 其下限截止频率取决于前置放大器参数 见例6 1 下限截止频率wL应满足 6 4 1压电式加速度传感器 式中 wL为作用在压电元件上的信号角频率下限 t RC为前置放大器回路时间常数 代入数据得t 0 5s 可计算出wL 10rad s 而wL 2pfL 所以其输入信号频率下限为 6 4 1压电式加速度传感器 上限截止频率可由传感器本身的频率特性决定 即 当w wn 1时 得理想频率特性表达式为 6 4 1压电式加速度传感器 根据题意 在上限频率wH时 幅值误差为2 可表示为 可得 6 4 1压电式加速度传感器 解得 wH wn 2 1 04 0 96 0 042 舍去1 04和0 96 计算得wH wn 0 205 则 另外也可按fH 1 5 1 3 f0估算fH的范围 则得fH在6 10kHz之内 通过以上分析可见 加速度计使用信号频率的范围在1 6Hz至6 15kHz之间比较理想 6 4 1压电式加速度传感器 2 压电式加速度传感器的结构目前 压电式加速度传感器的结构形式主要有压缩型 剪切型和复合型三种 1 压缩型图示为正装中心压缩式 特点是 质量块和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系 从而与易受其他因素干扰的壳体分开 具有灵敏度高 性能稳定 频响好 工作可靠等优点 但基座的机械应变和热应变仍有影响 6 4 1压电式加速度传感器 为此 设计出左图所示的改进型的隔离基座压缩式 和右图所示的改进型的倒装中心压缩式 6 4 1压电式加速度传感器 图示是一种新颖的双筒双屏蔽结构 它除了外壳起屏蔽作用外 内预载套筒 顶紧筒 也起屏蔽作用 由于预载筒横向刚度大 大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力 这种结构还在基座上设有应力槽 可起到隔离基座机械应变和热应变干扰的作用 但设计工艺比较复杂 6 4 1压电式加速度传感器 2 剪切型它利用了压电元件受剪应力产生压电效应这一原理 其压电元件以压电陶瓷为佳 按压电元件结构形式的不同 可分为环形剪切型 三角剪切型 H剪切型等 6 4 1压电式加速度传感器 3 复合型复合型压电式加速度传感器是指那些具有组合结构 差动原理 组合一体化的压电式传感器 两种最常见的类型如下 6 4 1压电式加速度传感器 三向加速度传感器由三组具有x y z三向互相正交压电效应的压电元件组成 其中一组为压缩型 感受z轴方向的加速度 另两组为剪切型 分别感受x轴和y轴方向的加速度 灵敏轴线互相垂直 6 4 1压电式加速度传感器 组合一体化压电式加速度传感器这种传感器早期是集压电传感器与电子线路于一身的组合一体化压电 电子传感器 又称压电管 如今 这类传感器大多为采用集成工艺制作的完全集成化的压电式加速度传感器 1 质量块 2 压电石英体 3 超小型阻抗变换器 4 电缆插座 6 4 1压电式加速度传感器 加速度传感器的一般性能如下表所示 6 4压电式传感器的结构组成 6 4 1压电式加速度传感器6 4 2压电式力和压力传感器 6 4 2压电式力和压力传感器 1 压电式力传感器压电式力传感器可测量动态或准静态力 其测量范围为102 105N 按照测力状态的不同 压电式力传感器分为单向力 双向力和三向力传感器 6 4 2压电式力和压力传感器 图示为一种用于机床动态切削力测量的单向石英晶体压电式力传感器的结构图 压电元件采用X0 切型的石英晶体 利用其纵向压电效应 通过d11实现力 电转换 关于石英切型请参考 王化祥等编著 传感器原理与应用 修订版 天津大学出版社 1999 6 4 2压电式力和压力传感器 石英晶片沿电轴 x轴 方向受压力作用 由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷 两块晶片沿电轴方向反向迭加 具有固有频率高 约50 60kHz 体积小 质量轻 仅10g 分辨力高 约10 3N 的特点 最大可测5 103N的动态力 6 4 2压电式力和压力传感器 2 压电式压力传感器压电式压力传感器有各种不同的结构形式 但它们的基本原理相同 图示是压电式压力传感器的工作原理图 压电晶片为X0 切型 1 引线 2 壳体 3 压电晶片 4 受压膜片 5 导电片 6 基座 6 4 2压电式力和压力传感器 当膜片4受到压力p作用时 在压电晶片上产生电荷 在一个压电片上产生的电荷密度 为 式中 S 压电片面积 S 膜片受压力作用的有效面积 6 4 2压电式力和压力传感器 测出石英晶片的电荷量 便可得到压力值 与力传感器不同的是 它必须通过弹性膜片等 把压力转换成力 再传给压电元件 除此之外 压电式压力传感器的基本原理与压电式力传感器大同小异 6 4 2压电式力和压力传感器 压力传感器外形图如图所示 6 4压电式传感器的结构组成 6 4 1压电式加速度传感器6 4 2压电式力和压力传感器 第6章压电式传感器 6 1压电效应及压电材料6 2压电元件的常用结构形式6 3压电式传感器的等效电路和测量电路6 4压电式传感器的结构组成6 5压电式传感器的应用 6 5压电式传感器的应用 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用6 5 2逆压电效应的应用 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 1 压电式加速度传感器应用举例桥墩水下 地表以下以及内部的缺陷是很难直接发现的 用压电式加速度传感器检测桥墩的振动 再进行频谱分析 则可以准确地判断桥墩这些部位的缺陷 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 通过放炮的方式 使水箱振动 桥墩承受垂直方向的激励 用压电式加速度传感器测量桥墩的响应 经电荷放大器放大后送入数据记录仪 再将记录下的信号输入谱分析设备 经频谱分析后 可判定桥墩有无缺陷 1 放电炮用的水箱 起振器 2 压电加速度传感器 3 电荷放大器 4 数据记录仪 5 频谱分析仪 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 没有缺陷的桥墩为一坚固整体 相当于一个大质量块 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 其力学系统变得复杂 相当于两个或数个质量块 弹簧系统 具有多个谐振频率点 加速度响应曲线将显示出双峰或多峰 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 2 压电式力和压力传感器应用举例 将压电式力传感器测得的力信号和压电式加速度传感器测得的加速度信号经多路电荷放大器后送入数据处理设备 可求得被测试件的机械阻抗 这是进行大型结构模态分析的一种常用方法 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 3 压电式断纬自停装置剑杆织机以剑杆引纬代替梭子引纬 将纬纱以大于15m s的速度送出 并有一定的张力 压电式断纬自停装置的传感器如图所示 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 信号输出端有4个圆孔 内壁是用压电陶瓷制成的环状敏感元件 每个圆孔中通过一种颜色的纬纱 当引纬时 被张紧的快速运动的纬纱对圆孔内壁施加一个幅度变化很小的作用力 压电元件几乎没有信号输出 若织机正在引的某一色纬纱发生断纬 则压电元件突然不再受到力的作用 输出电信号会有一个突变 让执行机构动作 使织机自停 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 4 压电式金属加工切削力测量由于压电陶瓷元件的谐振频率高 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 6 5 1正压电效应压电式传感器的应用 5 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