压电式传感器原理及应用PPT课件

5.3压电式传感器，5.3.1压电式传感器的工作原理5.3.2等效电路和信号转换电路5.3.3压电式加速度计5.3.4压电式力传感器，下页，返回，-2，5.3.1压电式传感器的工作原理，基于压电式效应的电位传感器可逆压电式效应“双向传感器”正压电式效应当某些物质因压力或张力在某一方向发生变化时，它们的表面会产生电荷；如果外力消除，它们又会回到不带电荷的状态，这种现象称为正压电效应。(强制变形产生电荷)，前一页，下一页，返回，-，3，压电材料的两个电极表面上的逆压电效应，如果施加交流电压，那么压电片就会产生机械振动，即压电片有向电极方向拉伸的现象，这种压电材料的现象称为“电致伸缩效应”，也称为“逆压电效应”。(电场电介质产生变形应力)常见的压电材料包括应时、钛酸钡、锆钛酸铅等。应时晶体的压电效应，X轴：电轴或1轴；y轴：机械轴或2轴；z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”:电荷“横向压电效应”是在沿电轴(X轴)的力的作用下产生的；在沿着机械轴(Y轴)的力的作用下产生的电荷不会在光轴(Z轴)的方向上产生压电效应。上一页，下一页，返回，-，5，晶体片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，电荷在垂直于电轴的平面上产生，d11压电系数(C/N)，作用力是电荷仍在垂直于x轴的平面上沿机械轴方向，上一页，下一页，返回，此时，-，6， 薄片上电荷的符号和力的方向之间的关系，图(a)是x轴方向上的力的方向，图(b)是x轴方向上的力的方向，图(c)是x轴上的力的方向。应时晶体的压电效应，(a)正电荷和负电荷相互平衡，因此没有外部带电。 (B)在X轴方向上的压缩，表面A上的负电荷和表面B上的正电荷。(c)沿Y轴方向压缩，分别在A和B表面上显示正电荷和负电荷，上一页，下一页，返回，-8，应时晶体，天然晶体，压电系数D11=2.3110-12C/N；莫氏硬度为7，熔点为1750，膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率高，精度高，线性范围宽，重复性好，固有频率高，动态特性好，工作温度高达550(压电系数不随温度变化)，工作湿度高达100%，稳定性好。压电陶瓷、人工多晶、压电机理的压电效应不同于压电晶体。压电陶瓷的极化，上一页，下一页，返回，10，陶瓷片的极化，压电陶瓷片中的束缚电荷和吸附在电极上的自由电荷的示意图，陶瓷片中的自由电荷和束缚电荷符合相反但相等的值，它起屏蔽和抵消陶瓷片中极化强度的作用，因此陶瓷片不向外显示极性。压电陶瓷的正压电效应，当平行于极化的外力施加到压电陶瓷片上时，陶瓷片将被压缩和变形，原本吸附在极板上的部分自由电荷将被释放，并发生放电。当移除压力时，陶瓷片恢复到其原始状态，片中的正电荷和负电荷之间的距离变大，并且极化强度也变大，使得部分自由电荷被吸附在电极上并且发生充电。放电电荷的量与外力的大小成正比，上一页，下一页，返回，12，q电荷；d33压电陶瓷的压电系数：F力。(1)钛酸钡压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数(3)铌酸铅镁铅(MgNb)O3-钛酸铅-锆酸铅压电陶瓷(PMN)具有高压电系数，即使在高达700千克/平方厘米的压力下也可以继续工作，并且可以用作高温下的力传感器。上一页，下一页，返回，-14，5.3.2等效电路和信号转换电路，1。压电元件2的等效电路。压电传感器的信号调节电路，上一页，下一页，返回，15，1。压电元件的等效电路，上一页，下一页，返回，-16，压电传感器的等效电路，(a)等效于电荷源Q和电容器Ca的并联的电路，(b)等效于电源U=Q/Ca和电容器Ca的串联电路，两个压电板的连接模式，即上一页，下一页，返回，-17，(a)“并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联方法输出大电荷， 大电容和大时间常数，适用于测量慢变信号和以电荷为输出，(b)“系列”Q=Q，U=2U，c适用于电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的地方。 为了将测量误差减小到某个值，负载电阻R1必须具有大的值。因此，通常先连接一个具有高输入阻抗的前置放大器，然后连接一个通用放大器电路和其他电路。测量电路的关键是高阻抗前置放大器。前置放大器：两个动作放大了压电传感器的微弱信号；传感器的高阻抗输出被转换成低阻抗输出。(1)电压放大器，Ca:传感器的电容Ra，传感器的泄漏电阻Cc，连接电缆的等效电容Ri，放大器的输入电阻ci，放大器的输入电容，上一页，下一页，返回，-20，前置放大器输入电压，压电元件的力f=FMS int压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11F。输入电压的幅度，由于力是静电力(=0)，前置放大器输入电压为零。原则上，压电传感器不能测量静态物理量。压电传感器具有突出的优点：高频响应相当好。如果测量的物理量是缓慢变化的动态量，并且测量回路的时间常数不大，则传感器的灵敏度将降低。因此，为了扩大传感器的低频响应范围，必须尽可能提高环路的时间常数。然而，不可能通过增加测量回路的电容来增加时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比，并且实际的方法是增加测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻通常很大，测量环路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量环路的时间常数越大，传感器的低频响应越好。上一页，下一页，返回到、-22、电压放大器应用极限，压电传感器与电压放大器一起使用时，连接电缆不能太长。如果电缆很长，电缆电容Cc将很大，电缆电容的增加将不可避免地降低传感器的电压灵敏度。与电荷放大器相比，电压放大器具有电路简单、元件少、价格低、工作可靠等优点。然而，电缆长度对传感器的测量精度有很大影响，这在一定程度上限制了压电传感器在某些场合的应用。为了解决电缆问题，放大器被安装在传感器中以形成集成传感器。压电加速度传感器的压电元件是两个并联的应时芯片，放大器是一个超小型静电放大器。这样，引线非常短，并且引线的电容几乎等于零，从而避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。在放大器的输入端可以获得较大的电压信号，从而弥补了应时晶体灵敏度低的缺陷。电荷放大器，压电传感器的另一种特殊前置放大器。高内阻的电荷源可以转换成低内阻的电压源，输出电压与输入电荷成正比。因此，电荷放大器还起到阻抗变换的作用，输入阻抗高达1010 1012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器的一个突出优点是，在某些条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。压电传感器在等效电路中连接到电荷放大器，K是放大器的开环增益，(-K)表示放大器的输出和输入反相。如果开环增益足够高，放大器输入端的电位接近“地”电位。充电电压几乎等于放大器的输出电压。一些结论如下：1 .电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，与放大器的放大系数或电缆电容等的变化无关。2.只要反馈电容的值保持不变，就可以获得与电荷量Q的变化成线性关系的输出电压。3.如果反馈电容Cf小，输出就会大。4.为了满足某些输出灵敏度要求，必须选择适当的反馈电容。5.输出电压与电缆电容无关：(1 K)Cf(Ca Cc Ci)，上一页，下一页，返回，-，28，5.3.3压电加速度传感器，压缩压电加速度传感器结构，上一页，下一页，返回，-，29，测量原理：当传感器感应到振动时，质量与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的影响。这样，质量将具有与作用在压电片上的加速度成比例的交变力。由于压电片的压电效应，在两个表面上都产生交变电荷。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比，即与试样的加速度成正比。输出电量从传感器的输出端引出，输入前置放大器后，可以用普通的测量仪器测量试件的加速度。如果在放大器中增加一个适当的积分电路，就可以测量试件的振动速度或位移。上一页，下一页，返回、-30、5.3.4