压电式力传感器VIP

.,1,压电式力传感器,一、压电效应二、压电材料三、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的应用,.,2,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下,在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。,概述,.,3,压电陶瓷位移器,压电陶瓷超声换能器,压电秤重浮游计,压电警号,压电加速度计,.,4,某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；,一、压电效应,这种现象称正压电效应,.,5,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,.,6,压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。压电元件可以将机械能转化成电能也可以将电能转化成机械能。,正压电效应,逆压电效应,.,7,.,8,超声波传感器,.,9,1、石英晶体的压电效应,Z,X,Y,(a),(b),石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系,石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,.,10,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,.,11,晶体沿X方向将产生收缩，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。,(c)FX0,正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,（P1+P2+P3）X1，那么，输入电压幅值Uim为,上式表明理想情况时前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03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,这表明在测量回路的时间常数一定的情况下，压电传感器有很好的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关。,.,36,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。,.,37,当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得,因为R1，故上式可以近似为,可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。,.,38,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。,.,39,例：一只压电式加速度计，供它专用的电缆长度为1.2m，电缆电容为100pF，压电片本身电容为1000pF。出厂时标定的电压灵敏度为100v/g(g为重力加速度），若使用中改用另一根长为2.9m的电缆，其电容量为300pF，问电压灵敏度会不会改变，如何改变？,Ua,将压电式加速度计等效为电压源，不考虑其泄露电阻，其等效电路如图所示。输出电压为：,电缆电容改变为Cc时，输出电压变为：,压电式加速度计的电压灵敏度与输出电压成正比，所以更换电缆后，灵敏度变为：,.,40,电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。,2.电荷放大器,若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈电容CF。由图可知i的表达式为：,.,41,根据该式画出等效电路图(b),反馈电容CF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。所以图中C=(1A0)CF；这就是所谓“密勒效应”的结果。,.,42,运放输入电压,运算放大器输出端电压为：,通常A=104108,（A+1)Cf(Ca+Cc+Ci)，则上式可近似为：,.,43,说明电荷放大器输出电压只与电荷q、反馈电容Cf有关，与放大倍数及电缆电容无关,当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出，这是电荷放大器的最大特点。,反馈电容Cf为常数时，输出电压与电荷q成正比。反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈电容Cf值。CF一般取值100-104pF。,.,44,七、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用（六）超声应用,.,45,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为,运动方向,2,1,3,4,5,纵向效应型加速度传感器的截面图,（一）压电式加速度传感器结构：纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种，纵向效应是最常见的。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。,qd33Fd33ma,.,46,连接方式：图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压U，极板上电荷量q为单片电荷量q的两倍，即图(b)为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单,片电荷q，而输出电压U为单片电压U的二倍，总电容C为单片电容C的一半，即,+,+,(a)并联,(b)串联,叠层式压电元件,+,+,+,+,并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。,.,47,（二）压电式压力传感器根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。,1,2,3,4,5,6,p,压电式测压传感器原理图,.,48,测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：,因为，所以电压灵敏度也可表示为U0压电片输出电压；C0压电片等效电容,电荷灵敏度,电压灵敏度,电荷灵敏度,.,49,压磁式传感器,基本原理传感器的形式参数选取的基本原则压磁传感器的误差,下一页,返回,.,50,基本原理,压磁效应:某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变。磁致伸缩:某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。,上一页,下一页,返回,.,51,磁致伸缩,正磁致伸缩:当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低；负磁致伸缩:某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而在与作用力相垂直的方向上磁导率增高只有在一定条件下(如磁场强度恒定)压磁效应才有单值特性，但不是线性关系,上一页,下一页,返回,.,52,铁磁材料的压磁应变灵敏度,表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似,式中,磁导率的相对变化；l在机械力的作用下铁磁物质的相对变形,上一页,下一页,返回,.,53,工业纯铁的和l的关系,上一页,下一页,返回,.,54,压磁应力灵敏度,单位机械应力,所引起的磁导率相对变化,压磁传感器:用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩),变换链,上一页,下一页,返回,.,55,传感器的形式,1用一个方向磁导率的变化的传感器2用两个方向上磁导率的改变3维捷曼效应,上一页,下一页,返回,.,56,用一个方向磁导率的变化,上一页,下一页,返回,.,57,(a)(b):测量压力P用的传感器,与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达到电感值的改变。,式中,L传感器的电感；K1K2与激磁电流大小有关的系数，在一定条件下可认为是近似的常数。,上一页,下一页,返回,.,58,(e)(d):与互感形传感器相似,式中,E2传感器输出感生电势；u1原端励磁电压；W1，W2一次和二次绕组的匝数；K(P)系数，它与激磁电流频率及幅值有关同时也与被测力P有关,上一页,下一页,返回,.,59,(c):压磁应变片,在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。,上一页,下一页,返回,.,60,2用两个方向上磁导率的改变,（a）传感器结构（b）传感器在没受外力E2=0（c）传感器受拉力E20（d）传感器受压力E20相位与受拉力相差180,常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度3%-5%。,上一页,下一页,返回,.,61,3维捷曼效应,在卷捻棒状铁磁物质时，在其上将出现一个按着螺旋形分布的区域，在这个区域中磁导率沿螺旋方向增加。（a）逆“维捷曼”效应:在一根旋转的铁磁轴中若流有电流，则在轴中不仅有环形磁通，还有轴向磁通存在。(b)顺“维捷曼”效应:带有电流的铁磁轴放在磁场中，则此轴将出现扭曲变形（称为）。,上一页,下一页,返回,.,62,维捷曼效应测量非电量的原理,（a）（b）是用来测量转矩M图（c）是用来测量气体压力的,上一页,下一页,返回,.,63,图（b）将激磁电压加在轴上,当转矩M0，产生的电势,当时，上式有效。,上一页,下一页,返回,.,64,参数选取的基本原则,铁芯尺寸主要由选用材料允许应力的限制。而磁场强度主要是影响传感器的灵敏度。,Z/Z关系曲线,和Z/Z的最大值均出现在H值很相近的位置上，因此传感器的设计磁场强度可近似的取在图中磁导率最大值的一点附近，即取,上一页,下一页,返回,.,65,表1,上一页,下一页,返回,.,66,有磁场强度H之后，可由下式求绕组参数,绕组匝数,供电电压可用下式决定：,式中，S磁通路的截面积()所选H处的磁导率()。,上一页,下一页,返回,.,67,压磁传感器的误差,1磁滞误差2线性误差3.老化4温度误差,上一页,下一页,返回,.,68,1磁滞误差,由铁磁材料的磁滞特性造成的，误差的特点：动态测量时小（1%）,静态测量大约在4%。此误差的大小还与磁场强度有关,上一页,下一页,返回,.,69,线性