《压电式传感器》PPT课件.ppt

8 2压电传感器的等效电路 当压电晶体承受应力作用时 在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷 故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器 其电容量为 当两极板聚集异性电荷时 板间就呈现出一定的电压 其大小为 因此 压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路 图压电传感器的等效电路 a 电压源 b 电荷源 实际使用时 压电传感器通过导线与测量仪器相连接 连接导线的等效电容CC 前置放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去 当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后 压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路 a 和电荷等效电路 b 这两种等效电路是完全等效的 图压电传感器的完整等效电路 a 电压源 b 电荷源 8 3压电式传感器的测量电路 压电式传感器本身的内阻很高 Ra 1010 而输出的能量信号又非常微弱 因此通常先把传感器信号输入到高输入阻抗的前置放大器中 方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中 前置放大器的作用 一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 二是放大传感器输出的微弱电信号 前置放大器电路有两种形式 一是用电阻反馈的电压放大器 其输出电压与输入电压 即传感器的输出 成正比 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大 几乎可以忽略不计 故而电荷放大器应用日益广泛 图压电传感器接放大器的等效电路 a 放大器电路 b 等效电路 1 电压放大器 阻抗变换器 在上图 b 中 电阻R RaRi Ra Ri 电容C Cc Ci 而ua q Ca 若压电元件受正弦力f Fmsin t的作用 则其电压为 式中 Um 压电元件输出电压幅值 Um dFm Ca d 压电系数 由此可得放大器输入端电压Ui 其复数形式为 输入电压和作用力之间相位差为 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 那么理想情况下输入电压幅值Uim为 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关 一般在 0 3时 就可以认为Uim与 无关 0表示测量电路时间常数之倒数 即 这表明压电传感器有很好的高频响应 但是 当作用于压电元件的力为静态力 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 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时 必须采取一定的措施 使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度 而在动态力作用下 电荷可以得到不断补充 可以供给测量电路一定的电流 故压电传感器适宜作动态测量 当 Ca Cc Ci R 1时 由放大器输入电压表达式 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 图电荷放大器等效电路 2 电荷放大器 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 由运算放大器基本特性 可求出电荷放大器的输出电压 通常A 104 108 因此 当满足 1 A Cf Ca Cc Ci时 上式可表示为 由上式知 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 因此 采用电荷放大器时 即使连接电缆长度在百米以上 其灵敏度也无明显变化 这是电荷放大器的最大特点 在实际电路中 CF的容量做成可选择的 范围一般为100 104pF 8 4压电式传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏元件 可以用来测量最终能转换成力的多种物理量 一 压电式加速度传感器1 结构和工作原理 图压缩式压电加速度传感器 a 结构原理图 b 筒化模型 a b 2 灵敏度压电式加速传感器的灵敏度有两种表示法 当它与电荷放大器配合使用时 用电荷灵敏度Kq C s2 m 1 表示 与电压放大器配合使用时 用电压灵敏度Ku V s2 m 1 表示 其一般表达式为 式中 Q 压电式传感器输出电荷量 C Ua 传感器的开路电压 V a 被测加速度 m s2 因为Ua Q Ca 所以有 压电加速度传感器的灵敏度 原理 加速度a 压电元件电荷Q dF压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度 3 频率特性压电式加速度传感器可以简化成由集中质量m 集中弹簧k和阻尼器c组成的二阶单自由度系统 因此 当传感器感受振动体的加速度时 可以列出其运动方程式中 y1 振动体的绝对位移 y0 质量块的绝对位移 上式可改写为 根据二阶传感器频响特性分析方法 可得压电式加速度传感器的幅频特性和相频特性分别为 式中 振动角频率 传感器的固有角频率 阻尼比 振动体加速度 质量块与振动体之间的相对位移就是压电元件受到作用力后产生的变形量 因此 在压电元件的线性弹性范围内 有式中 F 作用在压电元件上的力 ky 压电元件的弹性系数 而压电片表面所产生的电荷量与作用力成正比 即式中 d 压电元件的压电常数 则 压电式加速度传感器灵敏度与频率的关系为在 n相对小的范围内 有 当传感器的固有频率 n 时 传感器的电荷灵敏度Kq Q 近似为一常数 从频响特性也可清楚地看到 在这一频率范围内 灵敏度基本上不随频率而变化 这一频率范围就是传感器的理想工作范围 对于与电荷放大器配合使用的情况 传感器的低频响应受电荷放大器的 3dB下限截止频率fL 1 2 RfCf限制 而一般电荷放大器的fL可低至0 3Hz 甚至更低 因此当压电式传感器与电荷放大器配合使用时 低频响应是很好的 可以测量接近静态变化非常缓慢的物理量 压电式传感器的高频响应特别好 只要放大器的高频截止频率远高于传感器自身的固有频率 那么 传感器的高频响应完全由自身的机械问题决定 放大器的通频带要做到100kHz以上是并不困难的 因此 压电式传感器的高频响应只需考虑传感器的固有频率 实际测量的振动频率上限 1 5 1 3 n 由于传感器的固有频率相当高 一般可达30kHz甚至更高 因此 它的测量频率上限仍可达几千赫 甚至达十几千赫 振动测试 4 压电式加速度传感器的结构下图为四种压电式加速度传感器 基于厚度变形的压缩式 的典型结构 图压电式加速度传感器结构 a 外围配合压缩式 b 中心配合压缩式 c 倒装中心配合压缩式 d 剪切式1 基座 2 压电晶片 3 质量块 4 弹簧片 5 电缆 二 压电式测力传感器压电元件本身就是力敏元件 测力传感器主要利用压电元件纵向压电效应的厚度变形实现力 电转换 结构上大多采用机械串联而电气并联的两片晶片 1 压电式测力传感器下图是一种单向压电式测力传感器的结构图 它用于机床动态切削力的测量 图压电式单向测力传感器 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 8 1mm 该传感器的测力范围为0 50N 最小分辨率为0 01N 固有频率为50 60kHz 整个传感器重为10g 下图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 图压电式刀具切削力测量示意图 压电式传感器在测量低压力时线性度不好 主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 为此 在力传递系统中加入预加力 称预载 这除了消除低压力使用中的非线性外 还可以消除传感器内外接触表面的间隙 提高刚度 三 压电式压力传感器左图是一种压电式压力传感器结构图 图压电式压力传感器右图是另一种结构的压力传感器 它采用两个相同的膜片对晶片施加预载力从而可以消除由振动加速度引起的附加输出 当膜片受到压力F作用后 在压电晶片表面上产生电荷 在一个压电片上所产生的电荷q为 即 压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比 四 压电新材料传感器及其应用聚偏二氟乙烯 PVDF 高分子材料具有压电效应 可以制成高分子压电薄膜 右图为高分子压电薄膜振动感应片 用厚度约0 2mm 大小为10mm 20mm的聚偏二氟乙烯 PVDF 高分子材料制成 在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极 也可以用热印制工艺制作铝薄膜电极 再用超声波焊接上两根柔软的电极引线 并用保护膜覆盖 图高分子压电薄膜振动感应片1 3 正 反面透明电极 2 PVDF薄膜 4 保护膜 5 引