第五章压电式传感器2.ppt

主要内容：主要内容：一一 压电式传感器的应用压电式传感器的应用二二 总结总结三三 例题分析例题分析一一 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压力、加速度、微重力、超声流量计。压力、加速度、微重力、超声流量计。如：血压计、脉搏计、呼吸漩涡流量、玻璃破如：血压计、脉搏计、呼吸漩涡流量、玻璃破碎报警、汽车安全气囊装置、交通超载等。碎报警、汽车安全气囊装置、交通超载等。4汽车安全气囊系统汽车安全气囊系统BZ-8701A袖珍式测振仪压电式传感器56压电式脉搏计压电式脉搏计指套式电子血压计指套式电子血压计压电薄膜（集成压电式）传感器该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。典型应用：脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等91 1 压电式压力传感器压电式压力传感器2 2 加速度型心音传感器加速度型心音传感器 心音是一种生物机械振动现象，心音是一种生物机械振动现象，随着心脏的收缩和舒张，造成瓣膜的迅速打开或关闭，从而形成了由血流湍流引起的振动，脉管中血流的加速和减速也会造成血管的振动，这些振动传到胸腔表面就是心音心音。这些声音的频率范围一般都在20200Hz以内，这种传感器的重量可做得小于这种传感器的重量可做得小于30g30g，除可用来记录心音，除可用来记录心音信号外，还可用来测量震颤。信号外，还可用来测量震颤。结构结构 加速度型心音传感器是将一加速度型心音传感器是将一个质量块以一定的预应力安装在个质量块以一定的预应力安装在双压电晶体上，压电晶体和导线双压电晶体上，压电晶体和导线都用导电胶粘结在底座上。都用导电胶粘结在底座上。图心音传感器结构心音传感器原理心音传感器原理测量时将心音传感器底座用橡皮膏与人体体表粘结，传感器感受与人体体表相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电晶体上，压电晶体便产生电荷。据力学知识：据力学知识：为质量块质量，为加速度 HKY-06A 型心音传感器 技术参数：电源：5V DC 输出功率：最大 1W 功耗：小于 30mA 频率响应：10-600Hz 灵敏度：大于 4mV/Pa 3 3超声多普勒血流测定超声多普勒血流测定高频脉冲发生器探头压电晶体超声测量仪器探头的发射装置超声法测量血流量是根据超声多普勒效应超声法测量血流量是根据超声多普勒效应。超声探头超声探头发射，逆压电效应接收，正压电效应v血管入射波散射波接收极片发散极片血流血液颗粒超声多普勒法测定血流原理发射极片发射的超声波频率发射极片发射的超声波频率血液颗粒流运动速度血液颗粒流运动速度超声波在血液中的传播速度超声波在血液中的传播速度3 3 微重力压电晶体生物传感器微重力压电晶体生物传感器 石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层的组合质量（电容改变）。石英传感器，其表面层的组合质量（电容改变）。石英传感器，其表面吸附的被分析物质而引起的谐振频率变化关系为：吸附的被分析物质而引起的谐振频率变化关系为：f晶体频率（晶体频率（HZ）；）；m晶体吸附的被测物质质量；晶体吸附的被测物质质量；A传感器敏感区面积。传感器敏感区面积。利用这一原理可对溶液中许多化和物，通过电利用这一原理可对溶液中许多化和物，通过电极上的电解沉淀进行测量，例如监测微生物的生长极上的电解沉淀进行测量，例如监测微生物的生长率，该方法当浓度在范围内，有很好的线性。率，该方法当浓度在范围内，有很好的线性。质量响应型传感器，又称石英晶体电平。在免疫学、微生物学、基因检测、血液流变、药理研究及环境有重要应用价值。二 总结石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变与无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；电荷（或电场强度）之间呈线性关系；测量电路测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：阻抗变换阻抗变换 放大放大 前置放大器形式：前置放大器形式：u电压放大器电压放大器，如图（，如图（1 1）u电荷放大器电荷放大器，如图（，如图（2 2）ACeRdRiCiCcUSCU(1)A0CeUUSCiRdqCFRF(2)总结理想情况下理想情况下，前置放大器的输入电压前置放大器的输入电压：实际前置放大器的输入电压实际前置放大器的输入电压：实际与理想输入电之比：实际与理想输入电之比：总结理想下，电荷放大器输出：理想下，电荷放大器输出：实际下，电荷放大器输出：实际下，电荷放大器输出：三三 例题分析例题分析1某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度t=0.2mm,圆片半径圆片半径r=1cm,x切型切型d11=2.31x10-12C/N。当。当0.1MPa压力垂直作用于压力垂直作用于px平面时，求传感器输出电荷平面时，求传感器输出电荷q和电极间电压和电极间电压Ua的值。的值。解：当两片石英晶片并联，输出电荷解：当两片石英晶片并联，输出电荷q为单片的为单片的2倍，倍，所以得到所以得到 2 设电压前置放大器测量电路的总电阻，设电压前置放大器测量电路的总电阻，总电总电容为容为C=1000pF,传感器机械系统固有频率传感器机械系统固有频率 ，求幅值误差小于求幅值误差小于2%时，其使用的下限频率。时，其使用的下限频率。解：根据压电式加速度计下限截止频率取决于前置放大器参解：根据压电式加速度计下限截止频率取决于前置放大器参数，对电压前置放大器而言，其实际输入电压与理想输入数，对电压前置放大器而言，其实际输入电压与理想输入电压之比的相对幅频特性为：电压之比的相对幅频特性为：式中式中 为作用在压电元件上的信号角频率，为作用在压电元件上的信号角频率，为前置放大器回路时间常数。为前置放大器回路时间常数。有题意可知：有题意可知：代入数据可计算出代入数据可计算出 =10，解：系统灵敏度系数应等于传感器灵敏度与电荷放大器灵敏度乘积，故系统灵敏度系数K=输出电压值U/测得加速度值a，所以求出加速据为：3用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为80mV/pC,当机器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为4V。试计算机器的振动加速度是多少作业 1.压电传感器中采用电荷放大器有何优点，试分析说明：(1)电压放大器的输出与电缆长度有关。（2）电荷放大器的输出与电缆长度无关。2.压电材料有哪几个重要的性能参数？说明石英晶体压电性能特点及其主要用途，画图说明压电传感器的实际等效电路，并说明对测量放大器的特性有何要求？作业1.有一压电晶体，其面积有一压电晶体，其面积S=3cm2，厚度，厚度t=0.3mm，x切型纵向石英晶体压电系数切型纵向石英晶体压电系数d11=2.31x10-12C/N.求受到压力求受到压力p=10MPa作用作用时产生电荷时产生电荷q及输出电压及输出电压U0。(q=39.8pF，U=174V）2.已知某压电式传感器测量最低信号频率已知某压电式传感器测量最低信号频率f=1Hz，现要求在，现要求在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过信号频率时其灵敏度下降不超过5%，若采用电压前置放大器输入回路总电容，若采用电压前置放大器输入回路总电容Ci=500pF.求该前置放大器输入总电阻求该前置放大器输入总电阻Ri是多少是多少?Ri =969M