传感器技术 第一讲(下)

第一讲：基础概念（下）,传感器与测量技术,压力传感器专题介绍,应用介绍,我厂所生产的大部分产品属于“液压”类产品，其特点是压力高，变化快，此类产品对压力的测量有较高的要求，准确测量压力是检验产品质量的重要保障,我厂压力测量举例,高压油泵在泵油时，高压油泵端（泵端）产生的压力变化高压油泵在泵油时，喷油器端（器端）产生的压力变化油路上滤清器的堵塞情况检测：检测两端压力差油泵试验台上燃油进油压力检测、滑油压力检测高压共轨系统的轨压检测,电荷式压力传感器,压阻式压力传感器,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。,基本原理分析,压电效应某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。,石英晶体的压电效应,石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。天然石英晶体为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面,石英晶体切片,从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为qxxdxxFx,石英切片原理分析,横向压电效应产生的电荷为根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。,石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。,电荷产生原理,石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。,1.2压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，如下图所示,对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷，下左图，其电荷量q与作用力F成正比，即：q=dzzF，下右图为：,2.压电元件的结构,在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如下图所示。图a为并联接法，其输出电容C为单片的n倍，即C=nC，U=U，Q=nQ。图中b为串联接法，这时有QQ，U=nU，C=C/n。,a)b),在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。,3测量电路,3.1等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为式中，0为真空介电常数：为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。,因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为个电压源，如下图b所示。压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。,a)电荷源b)电压源,4.基本测量电路,压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。,电荷放大器,电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。图6.3.4是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中C，为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。图6.3.4电荷放大器等效电路,压电传感器的应用,压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。,压阻式压力传感器,除去精密测量用的电荷式压力传感器外，其余使用的均为压阻式压力传感器将压力信号转换成电阻的变化的