压电式传感器 (4)讲稿.ppt

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1、关于压电式传感器(4)第一页，讲稿共四十四页哦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第二页，讲稿共四十四页哦36.3 6.3 等效电路等效电路当当压压电电晶晶体体承承受受应应力力作作用用时时，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。故故可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个电电荷荷源源与与一一个个电电容容并并联的电荷发生器。联的电荷发

2、生器。(a a)q qC Ca a其电容量为：其电容量为：第三页，讲稿共四十四页哦4当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为定的电压，其大小为 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)。U Ua aC Ca a(b b)第四页，讲稿共四十四页哦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 第五页，讲稿共四十四页哦6实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，

3、连接导线的等效电容相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的、前置放大器的输入电阻输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影响就必须一起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考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，以后，压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示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（的电压等效电路（a）和电荷等效电路（）和电荷等效电路（b）。）。这两种等效电路是完全等效的。这两种等效电路是完全等效的。第六页，讲稿共四十四页哦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 第七页，

4、讲稿共四十四页哦8值得注意的是：值得注意的是：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，使电荷从压电晶片上经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。而在动态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，可以供给力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。态测量。第八页，讲稿共四十四页哦96.4 6.4 测量电路测量电路压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式 在实际应用中，由于单片的在实际应用中，由于

5、单片的输出电荷很输出电荷很小，小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。结的方法有两种，即并联和串联。第九页，讲稿共四十四页哦10并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。感器适用于测量缓变信号及电荷量

6、输出信号。(a a a a)并联并联并联并联+第十页，讲稿共四十四页哦11串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。压作输出的信号和频率较高的信号。(b b b b)串联串联串联串联+第十一页，讲稿共四十四页哦12第十二页，讲稿共四十四页哦13 在在上上述述两两种种接接法法中中，并并联联接接法法输输出出电电荷荷大大，本本身身电电容容大大，时时间间常常数数大大，适适宜宜用用在在

7、测测量量慢慢变变信信号号并并且且以以电电荷荷作作为为输输出出量量的的场场合合。而而串串联联接接法法输输出出电电压压大大，本本身身电电容容小小，适适宜宜用用于于以以电电压压作作输输出出信信号号，并并且且测测量量电电路路输输入入阻阻抗很高的场合。抗很高的场合。第十三页，讲稿共四十四页哦14由于压电式传感器的输出电信号很微弱，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通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，的前置放大器中，经过阻抗交换以后，经过阻抗交换以后，方方可用一般的放大检波电路再将信号输入到可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。指示仪

8、表或记录器中。(其中，测量电路的其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）关键在于高阻抗输入的前置放大器。）第十四页，讲稿共四十四页哦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输：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的反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(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容成正比；另一种是用带电容板反馈的板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输

9、出电压与输入电荷，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成正比。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，故而电荷放大器影响不大，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。第十五页，讲稿共四十四页哦16压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路（a a）放大器电路放大器电路;（b b）等效电路等效电路1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）(a)(b)AuoCiRiCeReCauaCRCauauiAu0第十六页，讲稿共四十四页哦17 在在上上图图（b）中中，电电阻阻R=RaRi/(Ra+Ri),电电容容C=

10、Cc+Ci，而而ua=q/Ca，若若压压电电元元件件受受正正弦弦力力f=Fm sint的作用，则其电压为的作用，则其电压为 （6-20）式中：式中：U Umm压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U Umm=d d3333F Fmm/C Ca a；d d3333压电系数。压电系数。第十七页，讲稿共四十四页哦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，其复数形式为式为(6-21)Ui的幅值的幅值Uim为为.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 (6-22)(6-23)第十八页，讲稿共四十四页哦19 在在理理想想情情况况下下，传传感感器器的的R R

11、a a电电阻阻值值与与前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻R Ri i都都为为无无限限大大，即即(C Ca a+C Cc c+C Ci i)RR1 1，那那么么由式（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 上上式式表表明明前前置置放放大大器器输输入入电电压压U Uimim与与频频率率无无关关，一一般般在在/0 033时时，就就可可以以认认为为U Uimim与与 无无关关，0 0表表示示测量电路时间常数之倒数，即测量电路时间常数之倒数，即 (6-24)第十九页，讲稿共四十四页哦20 这这表表明明压压电电传传感感器器有有很很好好的的高高

12、频频响响应应，但但是是，当当作作用用于于压压电电元元件件的的力力为为静静态态力力（=0=0）时时，前前置置放放大大器器的的输输出出电电压压等等于于零零，因因为为电电荷荷会会通通过过放放大大器器输输入入电电阻阻和和传传感感器器本本身身漏漏电电阻阻漏漏掉掉，所所以以压压电电传传感感器器不不能能用用于于静静态态力的测量。力的测量。第二十页，讲稿共四十四页哦21 当当(C Ca a+C Cc c+C Ci i)RR1 1 时时，放放大大器器输输入入电电压压U Uimim如如式式（6-246-24）所所示示，式式中中C Cc c为为连连接接电电缆缆电电容容，当当电电缆缆长长度度改改变变时时，C Cc c

13、也也将将改改变变，因因而而U Uimim也也随随之之变变化化。因因此此，压压电电传传感感器器与与前前置置放放大大器器之之间间连连接接电电缆缆不不能能随随意意更更换换，否否则将引入测量误差。则将引入测量误差。第二十一页，讲稿共四十四页哦22 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路2.电荷放大器电荷放大器第二十二页，讲稿共四十四页哦23 电电荷荷放放大大器器常常作作为为压压电电传传感感器器的的输输入入电电路路，由由一一个个反反馈馈电电容容C CF F和和高高增增益益运运算算放放大大器器构构成成。由由于于运运算算放放大大器器输输入入阻阻抗抗极极高高，放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，故

14、故可可略略去去R Ra a和和R Ri i并并联联电电阻阻。输输入到放大器的电荷量为：入到放大器的电荷量为：式中式中 ：q q传感器产生的电容量；传感器产生的电容量；q qF F反馈电容的电容量。反馈电容的电容量。第二十三页，讲稿共四十四页哦24由前图可知由前图可知式中式中 ：K K放大器的开环增益放大器的开环增益而而将以上公式整理，可得放大器的输出电压将以上公式整理，可得放大器的输出电压第二十四页，讲稿共四十四页哦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可求出电荷放大器的输出电压电压 通通 常常K K=10=104 410108 8，因因 此此,当当 满满 足足

15、(1+(1+K K)C Cf fC Ca a+C Cc c+C Ci i时，上式可表示为：时，上式可表示为：（6-30）（6-29）第二十五页，讲稿共四十四页哦26 由由上上式式知知，电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压U Uo o只只取取决决于于输输入入电电荷荷与与反反馈馈电电容容C CF F，与与电电缆缆电电容容C Cc c无无关关，且且与与q q成成正正比比，因因此此，采采用用电电荷荷放放大大器器时时，即即使使连连接接电电缆缆长长度度在在百百米米以以上上，其其灵灵敏敏度度也也无无明明显显变变化化，这这是是电电荷荷放放大大器器的的最最大大特特点点。在在实实际际电电路路中中，C CF F

16、的的容容量量做做成成可可选选择择的的，范范围一般为围一般为10010100104 4pFpF。第二十六页，讲稿共四十四页哦27电荷放大器的灵敏度为电荷放大器的灵敏度为由上式可以看出，放大器的灵敏度取决于由上式可以看出，放大器的灵敏度取决于C CF F F F。CF F越小灵敏度越高。越小灵敏度越高。第二十七页，讲稿共四十四页哦28 压压电电式式传传感感器器在在测测量量低低压压力力时时线线性性度度不不好好，主主要要是是传传感感器器受受力力系系统统中中力力传传递递系系数数非非线线性性所所致致。为为此此，在在力力传传递递系系统统中中加加入入预预加加力力，称称预预载载。这这除除了了消消除除低低压压力力

17、使使用用中中的的非非线线性性外外，还还可可以以消消除除传传感感器器内内外外接接触触表表面面的的间间隙隙，提提高高刚刚度度。特特别别是是，它它只只有有在在加加预预载载后后才才能能用用压压电电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。第二十八页，讲稿共四十四页哦29 如如图图是是压压电电式式单单向向测测力力传传感感器器的的结结构构图图，主主要要由由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。压力式单向测力传感器结构图 6.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用第二十九页，讲稿共四十四页哦30 传传感感器器上上盖盖为

18、为传传力力元元件件，它它的的外外缘缘壁壁厚厚为为0.10.5mm0.10.5mm，外外力力作作用用使使它它产产生生弹弹性性变变形形，将将力力传传递递到到石石英英晶晶片片上上。石石英英晶晶片片采采用用xyxy切切型型，利利用用其其纵纵向向压压电电效效应应，通通过过d d1111实现实现力力电转换。电转换。第三十页，讲稿共四十四页哦31下下图图是是一一种种压压电电式式加加速速度度传传感感器器的的结结构构图图。它它主主要要由由压压电电元元件件、质质量量块块、预预压压弹弹簧簧、基基座座及及外外壳壳等等组组成成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。压电式加速度传感

19、器结构图 压电式加速度传感器压电式加速度传感器第三十一页，讲稿共四十四页哦32 当当加加速速度度传传感感器器和和被被测测物物一一起起受受到到冲冲击击振振动动时时，压压电电元元件件受受质质量量块块惯惯性性力力的的作作用用，根根据据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即即 F=ma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。第三十二页，讲稿共四十四页哦33与加速度与加速度a成正比。因此，成正比。因此，测得加速度传感器测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。输出的电荷便可知加速度的大小。此时惯性力

20、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第三十三页，讲稿共四十四页哦34压电式压力传感器压电式压力传感器压电式测压传感器压电式测压传感器引线引线引线引线壳体壳体壳体壳体基座基座基座基座压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片受压膜片受压膜片受压膜片受压膜片导电片导电片导电片导电片p p第三十四页，讲稿共四十四页哦35当膜片受到压力当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为为即：压电式压

21、力传感器的输出电荷即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入与输入压强压强P成正比。成正比。第三十五页，讲稿共四十四页哦36压电式声传感器压电式声传感器压电陶瓷换能器结构图压电陶瓷换能器结构图铝头铝头铝头铝头螺钉螺钉螺钉螺钉黄铜尾部黄铜尾部黄铜尾部黄铜尾部压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环当交变信号加在压电当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的于压电陶瓷的逆压逆压电效应电效应，陶瓷片会在，陶瓷片会在电极方向产生周期性电极方向产生周期性的伸长和缩短的伸长和缩短。第三十六页，讲稿共四十四页哦37当一定频率的声频信号加在换能器上时，当一定频率的声频信号加在换能器

22、上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。就是声频信号接收器。第三十七页，讲稿共四十四页哦38如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为这样的换能器称为压电超声换能器。压电超声换能器。

23、第三十八页，讲稿共四十四页哦39压电式流量计压电式流量计压电式流量计压电式流量计流量显示流量显示流量显示流量显示输出信号输出信号输出信号输出信号换能器换能器换能器换能器换能器换能器换能器换能器接收接收接收接收接收接收接收接收发射发射发射发射发射发射发射发射压电超声换能器压电超声换能器每隔一段时间每隔一段时间(如如1/100s)发射和接发射和接收互换一次。在收互换一次。在顺流和逆流的情顺流和逆流的情况下，发射和接况下，发射和接收的相位差与流收的相位差与流速成正比。速成正比。第三十九页，讲稿共四十四页哦40压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用A AB BOO点点点点L LA AL

24、LB B地地地地 面面面面L L如果地面下一均匀的自来水直管道某处如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，发生漏水，水漏引起的振动从水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或或LB。第四十页，讲稿共四十四页哦41两者时间差为两者时间差为t=tA-tB=（LA-LB）/v又又L=LA+LB，所以，所以 第四十一页，讲稿共四十四页哦42压电声传感器在超声速测量实验中的应

25、用压电声传感器在超声速测量实验中的应用超声速测量实验装置超声速测量实验装置信号发生器信号发生器信号发生器信号发生器S S1 1示波器示波器示波器示波器频率计频率计频率计频率计S S2 2l l游标卡尺游标卡尺游标卡尺游标卡尺第四十二页，讲稿共四十四页哦43当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两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，在空气中激发端面时，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出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变信现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器号。所以，换能器S2是声频信号接收器。是声频信号接收器。第四十三页，讲稿共四十四页哦感感谢谢大大家家观观看看第四十四页，讲稿共四十四页哦