壓電式傳感器 (4)講稿

1、關(guān)于壓電式傳感器 (4)第一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2第6章 壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)6.2壓電材料6.3等效電路6.4測(cè)量電路6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析第二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月36.3 等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。(a)qCa其電容量為：第三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為 因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路

2、，如圖 (b)。UaCa(b)第四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5壓電傳感器的等效電路（a） 電壓源; （b） 電荷源 第五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。第六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7壓電傳感器的完整等效電路 （a） 電壓源; （b） 電荷源 第七張，PPT共四十四頁(yè)

3、，創(chuàng)作于2022年6月8值得注意的是：利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。第八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月96.4 測(cè)量電路壓電晶片的連接方式 在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。第九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月10并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳

4、感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。(a)并聯(lián)+第十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。 (b)串聯(lián)+第十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月12第十二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13 在上述兩種接法中，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場(chǎng)合。 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)，并且測(cè)

5、量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。 第十三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）第十四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月15前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成

6、正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。第十五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月16壓電傳感器接放大器的等效電路 （a） 放大器電路; （b） 等效電路1. 電壓放大器（阻抗變換器）(a)(b)AuoCiRiCeReCauaCRCauauiAu0第十六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月17 在上圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，則其電壓為 （6-20） 式中： Um壓電元件輸出電壓幅值， Um=d33Fm/Ca； d33壓電系數(shù)。

7、 第十七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月18由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為 (6-21) Ui的幅值Uim為 .輸入電壓和作用力之間相位差為 (6-22) (6-23) 第十八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月19 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無(wú)限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-22）可知，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無(wú)關(guān)，一般在/03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與無(wú)關(guān)，0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 (6-24) 第十九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20 這表明壓電傳感

8、器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。 第二十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月21 當(dāng)(Ca+Cc+Ci)R1 時(shí)，放大器輸入電壓Uim如式（6-24）所示，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測(cè)量誤差。 第二十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月22 電荷放大器等效電路2. 電荷放大器第二十二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于

9、2022年6月23 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。輸入到放大器的電荷量為： 式中 ： q傳感器產(chǎn)生的電容量； qF反饋電容的電容量。 第二十三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月24由前圖可知式中 ： K放大器的開環(huán)增益而將以上公式整理，可得放大器的輸出電壓第二十四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月25由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓 通常K=104108，因此,當(dāng)滿足(1+K )CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為： （6-30

10、） （6-29） 第二十五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月26 由上式知，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與反饋電容CF，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。 在實(shí)際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100104pF。 第二十六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月27電荷放大器的靈敏度為由上式可以看出，放大器的靈敏度取決于CF。CF越小靈敏度越高。第二十七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月28 壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳

11、遞系數(shù)非線性所致。 為此， 在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。 特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。 第二十八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月29 如圖是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖 6.5 壓電式傳感器的應(yīng)用第二十九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月30 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，

12、利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。第三十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月31下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式加速度傳感器第三十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月32 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即 F=ma式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。 第三十二張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月33與加速度a成正比。因此，測(cè)得

13、加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)， 則傳感器輸出電荷為第三十三張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月34壓電式壓力傳感器壓電式測(cè)壓傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p第三十四張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月35當(dāng)膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強(qiáng)P成正比。第三十五張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月36壓電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由于壓

14、電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短 。第三十六張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月37當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。第三十七張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月38如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。第三十八張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月39壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì)流量顯示輸出信號(hào)換能器換能器接收

15、接收發(fā)射發(fā)射壓電超聲換能器每隔一段時(shí)間(如1/100s)發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。 第三十九張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月40壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用ABO點(diǎn)LALB地 面L如果地面下一均勻的自來(lái)水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來(lái)的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出LA或LB。第四十張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月41兩者時(shí)間差為t= tA-tB=（LA - LB ）/v又L=LA +LB ，所以 第四十一張，PPT共四十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月42壓電聲傳感器在超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置信號(hào)發(fā)生器S1示波器頻率計(jì)S2l游標(biāo)卡尺