压电式力传感器

1、关于压电式力传感器1现在学习的是第一页，共71页2 。现在学习的是第二页，共71页3压电陶瓷位移器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秤重浮游计压电警号压电警号压电加速度计现在学习的是第三页，共71页4现在学习的是第四页，共71页5石英晶体的压电效应演示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。由于表面漏电而很快泄漏、消失。现在学习的是第五页，共71页6压电元件压电元件机

2、械能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应现在学习的是第六页，共71页7现在学习的是第七页，共71页8超声波传感器超声波传感器现在学习的是第八页，共71页9ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX石英晶体的理想外形是一石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴来表示，其中纵向轴ZZ称为称为光轴光轴；经过正六面体；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的棱线，并垂直于光轴的XX轴称为轴称为电轴电轴；与；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的轴（垂直于正六面

3、体的棱面）称为棱面）称为机械轴机械轴。现在学习的是第九页，共71页10(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+ 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石英晶体的硅离子Si4+和氧离子和氧离子O2-在在Z平面投影，如图平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列中正六边形排列，图中，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 现在学习的是第十页，共71页11晶体沿晶体沿X X方向将

4、产生收方向将产生收缩，电偶极矩在缩，电偶极矩在X X方方向的分量为向的分量为(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3) Y=0(P1+P2+P3 ) Z=0即即在在X X轴的正向出现正轴的正向出现正电荷，在电荷，在Y Y、Z Z轴方向轴方向则不出现电荷则不出现电荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正、负离子（正、负离子（即即Si4+和和2O2-）正好）正好分布在正六边形顶分布在正六边形顶角上，形成三个互角上，形成三个互成成120 夹角的偶极矩夹角的偶极矩P1、P2、P3，电，电偶极偶极矩的矢量和等于零，矩的矢量和等于零，即即

5、 P1P2P30（P1+P2+P3）X1，那么，输入电压幅值Uim为 icamimCCCdFU上式表明理想情况时前置放大器输入电压上式表明理想情况时前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在与频率无关，一般在/03时时，就可以认为，就可以认为Uim与与无关无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即 RCCCica)(110这表明在测量回路的时间常数一定的情况下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的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关。现在学习的是第三十五页，共71页36 当作用于压电元件的力为静态力（当作

6、用于压电元件的力为静态力（=0）时，）时， 前置放大器的输出前置放大器的输出电压等于零，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，阻漏掉， 所以所以压电传感器不能用于静态力的测量压电传感器不能用于静态力的测量。01222)()(icamimCCCRRdFU现在学习的是第三十六页，共71页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

7、可以近似为可见，可见，Ku与回路电容成反比与回路电容成反比，增加回路电容必然使，增加回路电容必然使Ku下降。为此常将下降。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，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度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。现在学习的是第三十七页，共71页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。 现在学习的是第三十八页，共71页

8、39例：一只压电式加速度计，供它专用的电缆长度为例：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，电缆电容为为100pF，压电片本身电容为，压电片本身电容为1000pF。出厂时标定的电压灵敏度为。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，其电容量为的电缆，其电容量为300pF，问电压灵敏度会不会改变，如何改变？，问电压灵敏度会不会改变，如何改变？UaCcCaU0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：caaaCCUCU0电缆电容改变为Cc时，输出电压变

9、为：caaaCCUCU0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：gVSCCCCSUUScaca/.6841003001000100100000现在学习的是第三十九页，共71页40电荷放大器由一个反馈电容C f和高增益运算放大器构成。 2. 电荷放大器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：iAUU0FiFiiiCjAUCjAUUZUUi)()(1110U0(a)电荷放大器电路电荷放大器电路qCaUiCcCi现在学习的是第四十页，共71页

10、41根据该式画出等效电路图(b)反馈电容反馈电容CF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。所以图中C=(1 A0)CF；这就是所谓“密勒效应”的结果。FiFiiiCjAUCjAUUZUUi)()(1110(a)电荷放大器电路电荷放大器电路qCaUiCcCiU0(b)电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路qCaUiCcCi C U0现在学习的是第四十一页，共71页42运放输入电压运放输入电压ficaiCCCCqU运算放大器输出端电压为：运算放大器输出端电压为：ficaiCACCCqAAUU)(10(b)电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路qCaUiCcCi C U0通常A=104108

11、 ,（A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，则上式可近似为：，则上式可近似为：ffCqCAqAU-)(10现在学习的是第四十二页，共71页43说明电荷放大器输出电压只与电荷说明电荷放大器输出电压只与电荷q、反馈电容、反馈电容Cf有关，与放大倍数及电缆电容有关，与放大倍数及电缆电容无关无关,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。这是电荷放大器的最大特点。反馈电容反馈电容Cf为常数时，输出电压与电荷为常数时，输出电压与电荷q成正比。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反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈

12、电容Cf值。值。CF一般取值100-104pF。ffCqCAqAU-)(10现在学习的是第四十三页，共71页44七、压电式传感器的应用七、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（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（五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用（六）超声应用（六）超声应用现在学习的是第四十四页，共71页45 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量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

13、振动，并受较小，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，此力到与加速度方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一） 压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构：纵向效应型、横向效应型和结构：纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种，纵向效应是最常剪切效应型三种，纵向效应是最常见的。压电陶瓷见的。压电陶瓷4和质量块和质量块2为环型，为环型，通过螺母通过螺母3对质量块预先加载，使对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。

14、测量时将传之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极起。输出信号由电极1引出。引出。qd33Fd33ma现在学习的是第四十五页，共71页46连接方式：图连接方式：图(a)为并联形式，片上的为并联形式，片上的负极负极集中在中间极上，集中在中间极上，其输出电容其输出电容C为单片电容为单片电容C的两倍，但输出电压的两倍，但输出电压U等于单片等于单片电压电压U，极板上电荷量，极板上电荷量q为单片电荷量为单片电荷量q的两倍，即的两倍，即图图( (b) )为串联形式，为串联形式，正电荷正电荷集中在上极板，集中在上极板，负电荷负电荷集中

15、在下集中在下极板，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，输出的总电荷荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单等于单CCUUqq22；片电荷片电荷q，而输出电压，而输出电压U为单片为单片电压电压U的二倍，总电容的二倍，总电容C为单为单片电容片电容C的一半，即的一半，即CCUUqq212；+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+l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。于以电荷作为输出量的场合。l串联接法，输出电

16、压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量串联接法，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。电路输入阻抗很高的场合。现在学习的是第四十六页，共71页47（二）（二） 压电式压力传感器压电式压力传感器 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。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。它由引线压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体、壳体2、基、基座座3、压电晶片、压电晶片4、受压膜片、受压膜片5及导电片及导电片6组成。当膜片组成。当膜片5受受

17、到压力到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷片上所产生的电荷q为为 SPdFdq1111F作用于压电片上的力；作用于压电片上的力；d11压电系数；压电系数；P压强，压强， ；S膜片的有效面积。膜片的有效面积。SFP 123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图现在学习的是第四十七页，共71页48 测压传感器的输入量为压力测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压，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：电晶片组成，则根据灵敏度的定义有： PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSd

18、ku因为因为 ，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度现在学习的是第四十八页，共71页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 回现在学习的是第四十九页，共71页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 回现在学习的是第五十页，共71页51磁致伸缩 正磁致伸缩: 当某些

19、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 回现在学习的是第五十一页，共71页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llSl/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 回现在学习的是第五十二页，共71页53工业纯铁的和l的关系 上一页下一页返 回现在学习的是第五十三页，共71页54压磁应力灵敏度 单位机械应力, 所引起的

20、磁导率相对变化 /S压磁传感器: 用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩) eZRPm或变换链 上一页下一页返 回现在学习的是第五十四页，共71页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 回现在学习的是第五十五页，共71页56用一个方向磁导率的变化用一个方向磁导率的变化上一页下一页返 回现在学习的是第五十六页，共71页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。 PKKL21式中, L传感器的电感； K1 K2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

21、一页下一页返 回现在学习的是第五十七页，共71页58(e)(d) : 与互感形传感器相似 Pu)P(KWWE1122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 回现在学习的是第五十八页，共71页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 回现在

22、学习的是第五十九页，共71页602 用两个方向上磁导率的改变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 回现在学习的是第六十页，共71页613 维捷曼效应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 回现在学习的是第六十一页，共71页62维捷曼效应测量非电量的原理 （a）（）（b）是用来测量转矩）是用来测量转矩M图（图（c）是用来测量气体压力的）是用来测量气体压力的 上一页下一页返 回现在学习的是第六十二页，共71页63图（b）将激磁电压加在轴上当转矩M 0，产生的电势 MRlBfBEssm2244. 412422MRBss当 时，上式有效。 上一页下一页返 回现在学习的是第六十三页，共71页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