6 压电式传感器.doc

6 压电式传感器 .ncu.第第6章压电式传感器有关晶体材料的补充知识.ncu.有关晶体材料的补充知识第第6章压电式传感器.ncu.有关晶体材料的补充知识第第6章压电式传感器.ncu.压电效应（Piezoelectric Effect）一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。 且其电位移D(在单位制中电荷密度)与外应力张量成比第第6章压电式传感器MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比D=dT(6-1)式中d压电常数矩阵。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。 这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。 .ncu.逆压电效应若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比S dE（）第第6章压电式传感器S=d tE（6-2）式中dt逆压电常数矩阵。 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。 .ncu.1石英晶体(SiO2)石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。 目前传感器中使用的均是以居里点为573，晶体的结构为六角晶系的-石英其外形如图所示呈六角棱柱第第6章压电式传感器第一节压电效应及材料六角晶系的石英。 其外形如图所示，呈六角棱柱体。 有m、R、r、s、x共5组30个晶面组成.ncu.第第10章压电式传感器.ncu.第第10章压电式传感器.ncu.石英晶体(SiO2)第第6章压电式传感器石英晶体个方向的特性不同。 为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴。 .ncu.石英晶体(SiO2)连接两个锥顶点的一根轴叫光轴，它是晶体的对称轴，光线沿轴通过晶体时，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，也叫中性轴，沿Z轴方向上没有压电效应；连接晶体横截面中对角线的三条轴（x轴）叫电轴第第6章压电式传感器连接晶体横截面中对角线的三条轴（x轴）叫电轴（a,b,d)，在垂直于X轴的面上压电效应最为显著；横截面中与电轴相互垂直的三条轴（y轴）叫机械轴，在y轴上加电场，产生机械形变最大，故也叫力轴。 .ncu.第第6章压电式传感器压电效应图p p11+p22+p33=0(p=0(p11+p22+p33)X X0(p0(p11+p22+p33)X X1时，被测量频率愈高(实际只要3)，则回路的输出电压灵敏度就愈接近理想情况，压电器件的高频响应特性好。 压电器件与测量电路相联的动态特性曲线.ncu.第第6章压电式传感器?低频特性当Ca+C c+C i)时，输出电压为则输出灵敏度为:.ncu.第第6章压电式传感器远距离传输时产生的测量误差,Ci忽略结论增大C F，增加放大器的K值，可减小测量误差。 .ncu.第第10章压电式传感器12()HfRc CaCc?电荷放大器的高频上限f H取决于压电元件Ca的电容和电缆的电容Cc,f fH H可达180KHz电荷放大器的低频下限f L只取决于反馈回路参数R f,C f:12LF FfRC?电荷放大器的低频下限f L可达10-1-10-4Hz.ncu.第第6章压电式传感器?电压放大器与电荷放大器相比:?电缆长度对测量精度的影响较大，而使用电荷放大器则可以在一定的条件下，使传感器的灵敏度与电缆长度无关。 .ncu.第第6章压电式传感器三压电元件的连接方式(a)并联；(b)串联2,2,CCq qU U?并联连接的压电传感器输出电容及极板上的电荷分别为单块晶体片的两倍，而输出电压与单片上的电压相等，即.ncu.第第6章压电式传感器三压电元件的连接方式/2,2CCq qU U?串联时，输出电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容为单片的1/2，即由此可见，并联接法输出电荷大，适用于以电荷作为输出信号，可提高其输入灵敏度。 串联接法输出电压高，本身电容小，适用以电压作为输出信号，且要求测量电路的输入阻抗很高。 .ncu.第第6章压电式传感器6.5压电式传感器及其应用1压电式加速度传感特点体积小，质量轻1压电晶片本身高频特性好，而低频特性差；2这类传感器的上限取决于机械部分的固有频率，下限频率取决于测量电路部分。 .ncu.第第6章压电式传感器6.5压电式传感器及其应用压电式加速度传感器.ncu.第第10章压电式传感器第四节压电式传感器及其应用1压电式加速度传感器工作原理（以压电常数为d33的压电陶瓷为例）传感器输出的Q或U与输入的加速度成正比，电荷灵敏度和电压灵敏度分别为?传感器受力后产生的电荷Qd33F,而质量块在加速度a下施加给压电元件的力F=ma.所以，.ncu.第第6章压电式传感器6.5压电式传感器及其应用1压电式加速度传感器工作原理（以压电常数为d33的压电陶瓷为例）传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度可表示为?因此，可通过增大压电常数d或质量块的质量m来提高压电元件的灵敏度。 .ncu.6.5压电式传感器及其应用工作原理（以压电常数为d33的压电陶瓷为例）K很大，m很小，惯性很小，质量块感知到的速度和加速度与被测物近似相同.ncu.第第6章压电式传感器6.5压电式传感器及其应用工作原理（以压电常数为d33的压电陶瓷为例）应用二阶传感器的频率特性分析方法，可以得到?又，在压电元件的线弹性范围内满足?.ncu.第第6章压电式传感器6.5压电式传感器及其应用工作原理（以压电常数为d33的压电陶瓷为例）而压电元件由此产生的电荷为?()Q dF d k xx?将式代入式中?3333()y mQdFdkxx?.ncu.第第6章压电式传感器6.5压电式传感器及其应用工作原理（以压电常数为d33的压电陶瓷为例）综上所述，当时，传感器的灵敏度近似为一常数与磁电式加速度传感器的区别？.ncu.?横向灵敏度6.6影响压电式传感器的主要因素实际的压电式传感器由于压电切片、极化方向的偏差，压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及装配、安装不精确等种种原因，都会造成如图所示的压电式传感器电轴E向与力轴F向不重合。 电轴E向与力轴F向不重合。 Kt=100%tan100%KzKy=100%tan cos100%Kz?最大横向灵敏度一般横向灵敏度.ncu.?2环境温度和湿度影响压电材料的特性参数、热释电性和结构环境温度变化将使压电材料的压电常数d、介电常数、电阻率和弹性系数k等机电特性参数发生变化。 d和k的变化将影响传感器的输出灵敏度和的变化会导致时间常第五节影响压电式传感器的主要因素化将影响传感器的输出灵敏度；和的变化会导致时间常数=RC的变化，从而使传感器的低频响应变坏。 环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻，使其明显下降，造成传感器低频响应变坏。 因此在高湿度环境中工作的压电传感器，必须选用高绝缘材料，并采取防潮密封措施。 .ncu.?安装差异及基座应变第五节影响压电式传感器的主要因素在应用中第一，要保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到破坏，以避免横向灵敏度的产生。 第二，应根据承载能力和频响特性所要求的按装谐振频率，选择合适的安装方式。 第三，只有当传感器质量远小于试件质量，试件对传感器的耦合影响，或传感器对试件的负载影响可减至最小。 因此，对刚度、质量和接触面小的试件，只能用微小型压电传感器测量。 ?实际测量的频率上限取决于传感器与被测件的安装谐振频率1n nmf fM?.ncu.?噪声第五节影响压电式传感器的主要因素?电缆噪声是同轴电缆在振动或弯曲变形时，电缆屏蔽层、绝缘层和芯线间将引起局部相对滑移摩擦和分离，而在分离层之间产生的静电感应电荷干扰，它将混入主信号中被放大。 减小电缆噪声的方法一是在使用中固定好传感器的引出电缆；二是选用低噪声同轴电缆。 ?接地回路噪声是压电传感器接入二次测量线路或仪表而构成测试系统后，由于不同电位处的多点接地，形成了接地回路和回路电流所致。 克服的根本途径是消除接地回路。 常用的方法是在安装传感器时，使其与接地的被测试件绝缘连接，并在测试系统的末端一点接地。 这样就大大消除了接地回路噪声。 .ncu.第第10章压电式传感器1什么是纵向压电效应和横向压电效应？2压电传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？习题灵敏度与电缆长度有关3分析压电加速度传感器的频率响应特性。 若测量电路为电压前置放大器，分析压电加速度传感器的频率响应特性。 若测量电路为电压前置放大器，C总=1000pF，R总=500M?；传感器固有频率；传感器固有频率f0=30kHz，阻尼比=0.5，求幅值误差在，求幅值误差在2以内的使用频率范围。 .ncu.3.解压电式加速度的上限截止频率由传感器本身的频率特性决定，压电式加速度的上限截止频率由传感器本身的频率特性决定，习题42220.0400.042;0.96(=0.205-0.205(0.2056.15()n nnnnKHz?H0舍去）或舍去）ff?221/1/?n