压电式传感器 (4).ppt

关于压电式传感器 (4)现在学习的是第1页，共44页2第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1压电效应压电效应6.2压电材料压电材料6.3等效电路等效电路6.4测量电路测量电路6.5压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例6.6影响压电式传感器精度的因素分析影响压电式传感器精度的因素分析现在学习的是第2页，共44页3当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。器。SSCra0其电容量为：其电容量为：现在学习的是第3页，共44页4当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为的电压，其大小为 aaCqU 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和和一个电容器一个电容器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图 (b)。现在学习的是第4页，共44页5压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a） 电压源电压源; ; （b b） 电荷源电荷源 CauaCaq(a)(b)现在学习的是第5页，共44页6实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输、前置放大器的输入电阻入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压以后，压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路（等效电路（a）和电荷等效电路（）和电荷等效电路（b）。这两种）。这两种等效电路是完全等效的。等效电路是完全等效的。现在学习的是第6页，共44页7压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 （a a） 电压源电压源; ; （b b） 电荷源电荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)现在学习的是第7页，共44页8利用压电式传感器测量静态或准静态量值时利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。器适宜作动态测量。现在学习的是第8页，共44页9现在学习的是第9页，共44页10CCUUqq22；现在学习的是第10页，共44页11CCUUqq212；现在学习的是第11页，共44页12现在学习的是第12页，共44页13 在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法而串联接法输出电压大，本身电容小，输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压适宜用于以电压作输出信号作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的，并且测量电路输入阻抗很高的场合。场合。 现在学习的是第13页，共44页14由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，置放大器中，经过阻抗交换以后，经过阻抗交换以后，方可用一般方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）输入的前置放大器。）现在学习的是第14页，共44页15前置放大器的作用前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的馈的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传即传感器的输出感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反成正比；另一种是用带电容板反馈的馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。应用日益广泛。现在学习的是第15页，共44页16(a )(b )AuoCiRiCeReCauaCRCauauiAu0现在学习的是第16页，共44页17tUtCFdCqumamaasinsin33现在学习的是第17页，共44页18由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式，其复数形式为为 )CC(RjRjFdUa33i1(6-21) Ui的幅值的幅值Uim为为 .2221)CCC(RRFd)(Uicam33im输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 R)CCC(arctanica2(6-22) (6-23) 现在学习的是第18页，共44页19 在理想情况下，传感器的在理想情况下，传感器的R Ra a电阻值与前置放大器电阻值与前置放大器输入电阻输入电阻R Ri i都为无限大，即都为无限大，即 ( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )RR1 1，那么，那么由式（由式（6-226-22）可知，理想情况下输入电压幅值）可知，理想情况下输入电压幅值U Uimim为为 icam33imCCCFdU上式表明前置放大器输入电压上式表明前置放大器输入电压U Uimim与频率无关，一般与频率无关，一般在在/0 033时，就可以认为时，就可以认为U Uimim与与 无关，无关， 0 0表示测表示测量电路时间常数之倒数，即量电路时间常数之倒数，即 RCCCica)(10(6-24) 现在学习的是第19页，共44页20 这表明压电传感器有很好的高频响应，但这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（是，当作用于压电元件的力为静态力（ =0=0）时，时， 前置放大器的输出电压等于零，前置放大器的输出电压等于零， 因为电因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏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， 所以压电传感器不能用于静态力的所以压电传感器不能用于静态力的测量。测量。 现在学习的是第20页，共44页21现在学习的是第21页，共44页22 AuoCiqCaCeCr现在学习的是第22页，共44页23Fiqqq现在学习的是第23页，共44页24aciiioCCCq -KUU)(-q0aciiCCCKUFFFiFCKUKCUKUCU0000)1 ()()U(q现在学习的是第24页，共44页25由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压 ficaoCACCCKq)1(UFoCqU现在学习的是第25页，共44页26 由上式知，电荷放大器的输出电压由上式知，电荷放大器的输出电压U Uo o只取决只取决于于输入电荷输入电荷与与反馈电容反馈电容C CF F，与电缆电容，与电缆电容C Cc c无无关，且与关，且与q q成正比，成正比，因此，因此，采用电荷放大器时采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。这是电荷放大器的最大特点。 在实际电路中，在实际电路中，C CF F的容量做成可选择的，范的容量做成可选择的，范围一般为围一般为10010100104 4pFpF。 现在学习的是第26页，共44页27F01CqUk现在学习的是第27页，共44页28 压电式传感器压电式传感器在测量低压力时线性度不在测量低压力时线性度不好，好，主要是传感器受力系统中力传递系数非线主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。性所致。 为此，为此， 在力传递系统中加入预加力在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。提高刚度。 特别是，它只有在加预载后才能用特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。扭矩。 现在学习的是第28页，共44页29压力式单向测力传感器结构图 现在学习的是第29页，共44页30 传感器传感器上盖为传力元件上盖为传力元件，它的外缘壁厚为，它的外缘壁厚为0.10.5mm0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xyxy切型切型， 利用其纵向压电效应，利用其纵向压电效应， 通过通过d d1111实现实现力力电电转换。转换。现在学习的是第30页，共44页31下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 压电式加速度传感器结构图 现在学习的是第31页，共44页32 当加速度传感器和被测物一起受到冲击当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，数， 即即 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m质量块的质量；质量块的质量； a加速度。加速度。 现在学习的是第32页，共44页33与加速度与加速度a成正比。因此，成正比。因此，测得加速度传感器输测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。出的电荷便可知加速度的大小。 此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而产作用于压电元件上，因而产生电荷生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数， 则传则传感器输出电荷为感器输出电荷为madFdq3333现在学习的是第33页，共44页34现在学习的是第34页，共44页35SPdFdq1111现在学习的是第35页，共44页36现在学习的是第36页，共44页37现在学习的是第37页，共44页38现在学习的是第38页，共44页39现在学习的是第39页，共44页40现在学习的是第40页，共44页4122vtLLvtLLBA现在学习的是第41页，共44页42现在学习的是第42页，共44页43当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器是声频信号发生器。 当当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，时，空气振动产生的压力作用在空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。是声频信号接收器。现在学习的是第43页，共44页感谢大家观看现在学习的是第44页，共44页