傳感器與調(diào)理技術(shù)_第1頁
傳感器與調(diào)理技術(shù)_第2頁
傳感器與調(diào)理技術(shù)_第3頁
傳感器與調(diào)理技術(shù)_第4頁
傳感器與調(diào)理技術(shù)_第5頁
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文檔簡介

關(guān)于傳感器與調(diào)理技術(shù)第1頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.1虛擬儀器常用傳感器21世紀(jì)的社會(huì)是信息社會(huì)?,F(xiàn)代信息技術(shù)包括三大組成部分:

傳感器技術(shù)—信息采集通信技術(shù)----信息傳遞

計(jì)算機(jī)技術(shù)—信息處理傳感器技術(shù)位于信息技術(shù)之首。第2頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三

傳感器

給我們的生活帶來了便利和幫助第3頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.1.1傳感器概述

傳感器(Sensor):能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。包含的概念它是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測裝置;能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出;傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關(guān)系。按使用的場合不同又稱為:變換器、換能器、探測器。1.傳感器的定義第4頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.傳感器的組成傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路三部分組成。敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路電量輸出被測量

敏感元件感受被測量;

轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成電參量;

測量電路(信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路)將傳感元件輸出的微小的電信號變換成便于顯示、記錄、處理和控制的能直接利用的電信號。

。第5頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三3.傳感器分類傳感器分類方法較多,大體有以下2種:②按傳感器的工作原理分類

如:應(yīng)變式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器①按被測參數(shù)分類

如:溫度傳感器壓力傳感器位移傳感器第6頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三4.傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。第7頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗第8頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三AGV自動(dòng)送貨車

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置;紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車位置識(shí)別;條形碼傳感器,貨品識(shí)別。香港理工AGV模型第9頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三循跡小車第10頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三產(chǎn)品質(zhì)量測量

在汽車、機(jī)床等設(shè)備,電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí),必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。

圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖,測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試,工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量機(jī)床加工精度測量第11頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三樓宇控制與安全防護(hù)4、

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境,并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù),如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。

圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為:電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器第12頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三其他應(yīng)用

航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)第13頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三5.傳感器發(fā)展趨勢

目前傳感器總的發(fā)展趨勢是

:

(1)新材料的開發(fā)和應(yīng)用;(2)新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用;(3)新的效應(yīng)的應(yīng)用;(4)傳感器的集成化;(5)傳感器的多維化;(6)傳感器的多功能化;(7)傳感器的智能化。

第14頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三有人說:征服了傳感器幾乎就征服了科學(xué)技術(shù)。第15頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.1.2應(yīng)變式傳感器高精度電子汽車衡廣泛應(yīng)用于:第16頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三1.工作原理應(yīng)變效應(yīng):當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外界力的作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí),其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。第17頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí),將伸長ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變?chǔ)う?故引起電阻值相對變化量。第18頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三應(yīng)變效應(yīng)式中ΔL/L是長度相對變化量,用應(yīng)變?chǔ)疟硎?/p>

ΔS/S為圓形電阻絲的截面積相對變化量,即又由材料力學(xué)可知,在彈性范圍內(nèi)μ——電阻絲材料的泊松比第19頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù):把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量,其表達(dá)式為:第20頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三工作原理說明演示實(shí)驗(yàn)第21頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類

金屬應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵是應(yīng)變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層,兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有:

絲式箔式第22頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三①金屬絲式應(yīng)變片

金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

1-基片;2-電阻絲;3-覆蓋層;4-引出線

其靈敏度系數(shù)多在1.7~3.6之間第23頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三②金屬箔式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)在絕緣基底上,將厚度為0.003~0.01mm電阻箔材,利用照相制板或光刻腐蝕的方法,制成適用于各種需要的形狀。

第24頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三3.電阻應(yīng)變片的測量電路

由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小,要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來,同時(shí)要把電阻相對變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路。直流電橋交流電橋第25頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三直流電橋①直流電橋的平衡條件

負(fù)載RL→∞(開路)當(dāng)電橋平衡時(shí),Uo=0,則有R1R4=R2R3或這說明欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對兩臂電阻的乘積相等。第26頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三②電壓靈敏度設(shè)R1為應(yīng)變片,應(yīng)變時(shí)R1變化量為ΔR1,這時(shí)電橋失衡,不平衡輸出電壓為:

設(shè)橋臂比n=R2/R1第27頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三電壓靈敏度討論由第28頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三差動(dòng)電橋電壓靈敏度

差動(dòng)電橋可補(bǔ)償非線性誤差,而且電橋電壓靈敏度KU比單臂工作時(shí)提高,同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。電壓靈敏度是單片的4倍電壓靈敏度是單片的2倍第29頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三差動(dòng)應(yīng)變實(shí)驗(yàn)第30頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三4.應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器按用途不同可分為:應(yīng)變式測力(稱重)傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式位移傳感器應(yīng)變式加速度傳感器等幾類第31頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面①將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上,直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。②將應(yīng)變片貼于彈性元件上,與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數(shù)。第32頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(1)應(yīng)變式傳感器測力第33頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三應(yīng)變式傳感器測力演示第34頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(2)應(yīng)變式壓力傳感器Phr0圓形金屬膜片徑向應(yīng)變切向應(yīng)變R1R20.58rR3R4膜片式壓力傳感器第35頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(3)應(yīng)變式加速度傳感器1—質(zhì)量塊

2—等強(qiáng)度梁

3—?dú)んw

4—電阻應(yīng)變片第36頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(4)應(yīng)變式傳感器測橋梁固有頻率測量第37頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三南京長江二橋通車應(yīng)變試驗(yàn)第38頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.1.3電容式傳感器電容式傳感器是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量精密測量?,F(xiàn)逐漸應(yīng)用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。第39頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三各種電容式傳感器電容式接近開關(guān)電容式指紋傳感器電容式變送器差壓傳感器第40頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三1.電容式傳感器工作原理和類型由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器,如果不考慮邊緣效應(yīng),其電容量為:

A——極板相對覆蓋面積

d——極板間距離

εr——相對介電常數(shù)

ε0——真空介電常數(shù)

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)

dAε第41頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三電容傳感器的結(jié)構(gòu)類型變極距型傳感器第42頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三變面積式電容傳感器平面線位移型+++柱面線位移型.角位移型.第43頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三變介質(zhì)型傳感器第44頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(1)變極距型電容傳感器

當(dāng)傳感器的εr和A為常數(shù),初始極距為d0時(shí),其初始電容量C0為:第45頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三變極距型電容傳感器若電容器極板間距離由初始值d0縮小Δd,電容量增大ΔC,則有:電容傳感器的靈敏度:電容的相對容量為:第46頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三變極距型差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容特征方程式為:εd2C1C2d1上靜片下靜片動(dòng)片電容總的變化量為:略去高次項(xiàng):電容傳感器的靈敏度:第47頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(2)變面積型電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板相對于定極板沿著長度方向平移時(shí),其電容變化量化為第48頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(3)變介電常數(shù)型電容式傳感器當(dāng)某種介質(zhì)在兩固定極板之間運(yùn)動(dòng)時(shí),電容量與介質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系為:εrdD動(dòng)片變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況:

測介電常數(shù)

測厚度d第49頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三變介電常數(shù)的兩種類型d為運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的厚度,d保持不變,改變介電常數(shù),可作為介電常數(shù)的測試儀器。。第50頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.電容式傳感器測量電路將電容量轉(zhuǎn)換成電量(電壓或電流)的電路稱作電容式傳感器的測量電路。測量電路主要有:運(yùn)算放大電路二極管雙T型交流電橋脈沖寬度調(diào)制電路等第51頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(1)運(yùn)算放大器式電路最大特點(diǎn):能克服變極距型電容傳感器的非線性.Cx是傳感器電容C是固定電容u0是輸出電壓信號

uCCx∑~u0A第52頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(2)二極管雙T型電路e是高頻電源,它提供幅值為Ui的對稱方波D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管R1=R2=RC1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容,當(dāng)傳感器沒有輸入時(shí),C1=C2

工作原理分析:e為正半周e為負(fù)半周第53頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三雙T型電路工作原理若傳感器輸入不為0,則C1≠C2,那么I1≠I2,此時(shí)RL上必定有信號輸出,其輸出在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為式中f為電源頻率。當(dāng)RL已知(常數(shù))則:當(dāng)電源電壓確定后,輸出電壓Uo是電容C1和C2的函數(shù)

第54頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(3)脈沖寬度調(diào)制電路QBQD2D1

AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1、A2為比較器C1、C2為差動(dòng)式電容傳感器電阻R1=R2D1、D2為特性完全相同的兩個(gè)二極管當(dāng)差動(dòng)電容器的C1=C2時(shí),其平均電壓值為零。T1、T2——C1、C2充放電至Ur所需時(shí)間U1──觸發(fā)器輸出的高電位第55頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三脈沖寬度調(diào)制電路工作原理由于由電路知識(shí)可知C1、C2的充電時(shí)間將T1、T2代入上式得結(jié)論:輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比。第56頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三3.電容式傳感器的應(yīng)用

電子技術(shù)的發(fā)展,解決了電容式傳感器存在的許多技術(shù)問題,使電容式傳感器不但廣泛應(yīng)用于精確測量位移、厚度、角度、振動(dòng)等物理量,還應(yīng)用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù),在自動(dòng)檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。第57頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三電容式差壓傳感器差動(dòng)型凹玻璃圓片彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極P(1)電容式壓差傳感器P彈性膜片(動(dòng)電極)固定電極電容式壓力傳感器單只變間隙型第58頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三

當(dāng)PH=PL時(shí),中心膜片處于平直狀態(tài),膜片兩側(cè)電容均為C0;當(dāng)PH>PL時(shí),中心膜片上凸,上部電容為CL,下部電容為CH。CH相當(dāng)于當(dāng)前膜片位置與平直位置間的電容CA和C0的串聯(lián);而C0又可看成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。hmaxd0CACLCHC0PHPL第59頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(2)電容測厚儀

電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化。帶材是電容的動(dòng)極板,總電容C1+C2作為橋臂。帶材只是上下波動(dòng)時(shí)Cx=C1+C2總的電容量不變;帶材的厚度變化使電容Cx變化。第60頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(3)電容式料位計(jì)傳感器的靜電電容可由下式表示:式中:k—比例常數(shù);εs—被測物料的相對介電常數(shù);ε0—空氣的相對介電常數(shù);D——儲(chǔ)罐的內(nèi)徑;d——測定電極的直徑;h—被測物料的高度。測定電極安裝在金屬儲(chǔ)罐的頂部,儲(chǔ)罐的罐壁和測定電極之間形成了一個(gè)電容器。第61頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(4)電容式接近開關(guān)振蕩電路被測物體感應(yīng)電極被測電容測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板,另一個(gè)極板是物體本身,當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí),物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化,使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體,并不限于金屬導(dǎo)體,也可以是絕緣的液體或粉狀物體。第62頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.1.4壓電式傳感器壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器,以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ),外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷,從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器可以對各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測量,在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。第63頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電式傳感器應(yīng)用概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電加速度計(jì)壓電警號第64頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三1.壓電式傳感器的工作原理壓電效應(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)象就稱為壓電效應(yīng)(正)。

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),也叫逆壓電效應(yīng)。第65頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電效應(yīng)說明當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變第66頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電材料壓電材料:具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換,如圖所示:壓電材料分為兩大類:壓電晶體和壓電陶瓷。壓電元件機(jī)械能電能第67頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(1)石英晶體壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶石英晶體是最常用的壓電晶體之一第68頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體它理想的幾何形狀為正六面體晶柱,如圖

在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示,其中縱向軸Z稱為光軸;經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的x軸稱為電軸;與x軸和z軸同時(shí)垂直的y軸稱為機(jī)械軸。沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”,把沿機(jī)械軸y軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng),稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿z軸方向受力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第69頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三表面電荷與外力關(guān)系壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系:

d為壓電系數(shù)

當(dāng)在電軸x方向施加作用力時(shí),在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷,其大小為:d11—x方向受力的壓電系數(shù)qx——垂直于x軸平面上的電荷Fx———沿電軸x方向施加的作用力第70頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三表面電荷與外力關(guān)系若在同一切片上,沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy,其大小為:

d12——y軸方向受力的壓電系數(shù),根據(jù)石英晶體軸的對稱條件d12=-d11a,b---晶體切片的長度與厚度電荷qx、qy的符號由晶體受壓還是受拉而決定當(dāng)石英晶體沿z軸方向被壓縮或被拉伸時(shí),晶體沿x方向和y方向產(chǎn)生同樣的變形,因此沿z軸方向施加作用力時(shí),石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng),即d13=0。第71頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三石英晶體壓電模型石英晶體的壓電效應(yīng)示意圖第72頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(2)壓電陶瓷壓電陶瓷與石英晶體不同,它是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時(shí),不具有壓電效應(yīng);經(jīng)過極化處理后,它的壓電效應(yīng)非常明顯,具有很高的壓電系數(shù),為石英晶體的幾百倍。第73頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三電疇結(jié)構(gòu)

電疇實(shí)質(zhì)上是自發(fā)形成的小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域有一定的極化方向,從而存在著一定的電場,但由于電疇分布雜亂無章,如圖所示。因此在沒有外加電場的情況下,它們的極化作用被相互低消了。上述情況下,壓電陶瓷不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu),如圖所示。第74頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電陶瓷極化處理所謂極化處理,就是給壓電陶瓷加外電場,使電疇規(guī)則排列,從而具備壓電性能。外加電場的方向即是壓電陶瓷的極化方向,通常取沿z軸方向。外電場去掉后,電疇極化方向基本不變,剩余極化強(qiáng)度很大。所以,壓電陶瓷極化后才具有壓電特性,未極化時(shí)是非壓電體。施加外電場時(shí),電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),趨向外電場方向排列。外電場強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí),所有的電疇與外電場一致。第75頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電陶瓷極化壓電陶瓷的極化強(qiáng)度不恢復(fù)為零,而是存在著很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。此時(shí),在與極化方向垂直的兩端面將會(huì)出現(xiàn)束縛電荷,一端面為正,另一端面為負(fù),如圖所示。由于束縛電荷的作用,在束縛電荷附近很快吸附一層來自周圍外界的自由電荷,且束縛電荷與自由電荷多少相等,極性相反,因此壓電陶瓷對外不呈現(xiàn)極性。第76頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電陶瓷的極化過程第77頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電陶瓷的電荷晶體極化后,沿極化方向(垂直極化平面)作用力時(shí),引起剩余極化強(qiáng)度變化,在極化面上產(chǎn)生電荷,電荷量的大小與外力成正比關(guān)系。電荷密度:d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)d33比d11、d12大的多所以壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高第78頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(3)壓電式傳感器壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器,也可以看成是一個(gè)電容器。第79頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三2.壓電式傳感器的等效電路和測量電路(1)壓電式傳感器的等效電路

當(dāng)壓電元件受到外力作用時(shí),就會(huì)在受力縱向或橫向表面上出現(xiàn)電荷,在一個(gè)極板上聚集正電荷,而在另一個(gè)極板上聚集等量的負(fù)電荷。因此壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器,也是一個(gè)電容器。

若已知壓電片面積為A,壓電片厚度d,壓電材料的相對介電常數(shù)εr

,則其電容值為:

Ca=第80頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電元件的等效電路壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖(b)所示,電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為壓電元件電荷q的開路電壓Ua可等效為電源與電容串聯(lián)或等效為一個(gè)電荷源q和電容Ca并聯(lián)。(b)電壓源(a)電荷源第81頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三壓電傳感器的實(shí)際等效電路壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測量儀器或測量電路相連接,因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,放大器的輸入電Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra,這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路,如圖所示:第82頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三(2)壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高,而輸出能量較小,因此它的測量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器,其作用為:一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗;二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號,也可以是電荷信號,因此前置放大器也有兩種形式:

電壓放大器

電荷放大器第83頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三①電壓放大器下圖(a)、(b)是電壓放大器電路原理圖及其等效電路(Cc連接電纜的等效電容)(a)電壓放大器電路(b)等效電路圖(b)中,電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci,而ua=q/Ca第84頁,講稿共95頁,2023年5月2日,星期三

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