53壓電式傳感器

5 3壓電式傳感器 5 3 1壓電式傳感器的工作原理5 3 2等效電路及信號(hào)變換電路5 3 3壓電式加速度傳感器5 3 4壓電式測(cè)力傳感器 下一頁 返回 5 3 1壓電式傳感器的工作原理 電勢(shì)型傳感器以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)壓電效應(yīng)分正 逆壓電效應(yīng) 壓電傳感器是 雙向傳感器 正壓電效應(yīng)某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí) 其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷 若將外力去掉時(shí) 它們又重新回到不帶電的狀態(tài) 這種現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng) 加力變形產(chǎn)生電荷 上一頁 下一頁 返回 逆壓電效應(yīng)在壓電材料的兩個(gè)電極面上 如果加以交流電壓 那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) 即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象 壓電材料的這種現(xiàn)象稱為 電致伸縮效應(yīng) 也叫做 逆壓電效應(yīng) 施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力 常見的壓電材料有石英 鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛等 1 石英晶體的壓電效應(yīng) X軸 電軸或1軸 Y軸 機(jī)械軸或2軸 Z軸 光軸或3軸 縱向壓電效應(yīng) 沿電軸 X軸 方向的力作用下產(chǎn)生電荷 橫向壓電效應(yīng) 沿機(jī)械軸 Y軸 方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸 Z軸 方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 上一頁 下一頁 返回 晶體切片 當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí) 則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 d11 壓電系數(shù) C N 作用力是沿著機(jī)械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面 上一頁 下一頁 返回 此時(shí) 切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系 圖 a 是在X軸方向受壓力 圖 b 是在X軸方向受拉力 圖 c 是在Y軸方向受壓力 圖 d 是在Y軸方向受拉力 上一頁 下一頁 返回 石英晶體的壓電效應(yīng) a 正負(fù)電荷是互相平衡的 所以外部沒有帶電現(xiàn)象 b 在X軸方向壓縮 表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷 B表面呈現(xiàn)正電荷 c 沿Y軸方向壓縮 在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷 上一頁 下一頁 返回 石英晶體 一種天然晶體 壓電系數(shù)d11 2 31 10 12C N 莫氏硬度為7 熔點(diǎn)為1750 膨脹系數(shù)僅為鋼的1 30 優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高 線性范圍寬 重復(fù)性好 固有頻率高 動(dòng)態(tài)特性好 工作溫度高達(dá)550 壓電系數(shù)不隨溫度而改變 工作濕度高達(dá)100 穩(wěn)定性好 上一頁 下一頁 返回 2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是人工制造的多晶體 壓電機(jī)理與壓電晶體不同 壓電陶瓷的極化 上一頁 下一頁 返回 陶瓷片極化 壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等 它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用 因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性 上一頁 下一頁 返回 壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 壓電陶瓷片上加上一個(gè)與極化反向平行的外力 陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形 原來吸附在極板上的自由電荷 一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象 當(dāng)壓力撤消后 陶瓷片恢復(fù)原狀 片內(nèi)的正 負(fù)電荷之間的距離變大 極化強(qiáng)度也變大 因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象 放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系 上一頁 下一頁 返回 Q 電荷量 d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù) F 作用力 常見壓電陶瓷 1 鈦酸鋇 BaTiO3 壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù) 機(jī)械強(qiáng)度不如石英 2 鋯鈦酸鉛Pb Zr Ti O3系壓電陶瓷 PZT 壓電系數(shù)較高 各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度 時(shí)間等外界條件的變化小 在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素 可以獲得不同性能的PZT材料 3 鈮鎂酸鉛Pb MgNb O3 PbTiO3 PbZrO3壓電陶瓷 PMN 具有較高的壓電系數(shù) 在壓力大至700kg cm2仍能繼續(xù)工作 可作為高溫下的力傳感器 上一頁 下一頁 返回 5 3 2等效電路及信號(hào)變換電路 1 壓電元件的等效電路2 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 上一頁 下一頁 返回 1 壓電元件的等效電路 上一頁 下一頁 返回 壓電式傳感器的等效電路 a 等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路 b 等效成一個(gè)電源U Q Ca和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路 上一頁 下一頁 返回 兩個(gè)壓電片的聯(lián)結(jié)方式 a 并聯(lián) Q 2Q U U C 2C并聯(lián)接法輸出電荷大 本身電容大 時(shí)間常數(shù)大 適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方 b 串聯(lián) Q Q U 2U C C 2而串聯(lián)接法輸出電壓大 本身電容小 適宜用于以電壓作輸出信號(hào) 且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方 上一頁 下一頁 返回 2 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值 才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi) 因此常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器 然后再接一般的放大電路及其它電路 測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器 前置放大器兩個(gè)作用 把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出 上一頁 下一頁 返回 1 電壓放大器 Ca 傳感器的電容Ra 傳感器的漏電阻Cc 連接電纜的等效電容Ri 放大器的輸入電阻Ci 放大器的輸入電容 上一頁 下一頁 返回 前置放大器輸入電壓 壓電元件的力F Fmsin t壓電元件的壓電系數(shù)為d11 產(chǎn)生的電荷為Q d11 F 輸入電壓的幅值 當(dāng)作用力是靜態(tài)力 0 時(shí) 前置放大器的輸入電壓為零 原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量 壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn) 高頻響應(yīng)相當(dāng)好 上一頁 下一頁 返回 傳感器的低頻響應(yīng)范圍 如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量 而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大 則造成傳感器靈敏度下降 因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍 就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù) 但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù) 因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的 切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻 由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大 所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻 放大器的輸入電阻越大 測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大 傳感器的低頻響應(yīng)也就越好 上一頁 下一頁 返回 電壓放大器應(yīng)用限制 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí) 連接電纜不能太長 電纜長 電纜電容Cc就大 電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低 電壓放大器與電荷放大器相比 電路簡單 元件少 價(jià)格便宜 工作可靠 但是電纜長度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大 在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用 上一頁 下一頁 返回 解決電纜問題的辦法 將放大器裝入傳感器中 組成一體化傳感器 上一頁 下一頁 返回 壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片 放大器是一個(gè)超小型靜電放大器 這樣引線非常短 引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響 放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào) 這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷 2 電荷放大器 電荷放大器是壓電式傳感器的另一種專用的前置放大器 能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源 而且輸出電壓正比于輸入電荷 因此 電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用 其輸入阻抗高達(dá)1010 1012 輸出阻抗小于100 使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 在一定條件下 傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān) 上一頁 下一頁 返回 壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 K是放大器的開環(huán)增益 K 表示放大器的輸出與輸入反相 若開環(huán)增益足夠高 則放大器的輸入端的電位接近 地 電位 上一頁 下一頁 返回 充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 幾點(diǎn)結(jié)論 1 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān) 而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系 2 只要保持反饋電容的數(shù)值不變 就可得到與電荷量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓 3 反饋電容Cf小 輸出就大 4 要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求 就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙?5 輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件 1 K Cf Ca Cc Ci 上一頁 下一頁 返回 5 3 3壓電式加速度傳感器 壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu) 上一頁 下一頁 返回 測(cè)量原理 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí) 質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng) 并受到與加速度方向相反的慣性力的作用 這樣 質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上 由于壓電片壓電效應(yīng) 兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí) 傳感器的輸出電荷 電壓 與作用力成正比 亦即與試件的加速度成正比 輸出電量由傳感器輸出端引出 輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量儀器測(cè)出試件的加速度 如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路 就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移 上一頁 下一頁 返回 5 3 4壓電式測(cè)力傳感器 壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器 變形方式 利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式最簡便 材料選擇 決定于所測(cè)力的量值大小 對(duì)測(cè)量誤差提出的要求 工作環(huán)境溫度等各種因素 晶片數(shù)目 通常是使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片 晶片電氣并聯(lián)兩片