电工学压电式 (2)精.ppt

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1、电工学压电式第1页，本讲稿共21页压电元件：在压电材料的两个表面加上导电的极板构成。压电元件：在压电材料的两个表面加上导电的极板构成。F+q=dFd:压电系数纵纵向向压压电电效效应应：X方方向向施施力力，X方方向向电电荷，产生电荷多少与晶体尺寸无关。荷，产生电荷多少与晶体尺寸无关。横向压电效应：横向压电效应：Y方向施力，方向施力，X方方向电荷，产生电荷多少与晶体尺向电荷，产生电荷多少与晶体尺寸有关。寸有关。第2页，本讲稿共21页二、压电材料（自学）压电晶体；压电陶瓷；高分子压电材料某些物质置于电场中，在电场的作用下产生机械变形，当外电场去掉之后，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电

2、压效应，也叫作电致伸缩。2 2、逆压电效应、逆压电效应第3页，本讲稿共21页压电材料是绝缘电阻很高的材料，因此可把压电材料是绝缘电阻很高的材料，因此可把压电元件看成一个电容器：压电元件看成一个电容器：在压电元件的两个电极上积聚了正负电荷，压电元在压电元件的两个电极上积聚了正负电荷，压电元件又相当于一个电荷发生器：件又相当于一个电荷发生器：6.压电式传感器压电式传感器 6.2 6.2 测量电路测量电路 一、等效电路第4页，本讲稿共21页qCiaRiRaCaCaqCL 电荷等效电路：电荷等效电路：电荷源电荷源与一个电容并联与一个电容并联等效电路实际电路Ca：传感器等效电容；Ra：泄露电阻Ri：放大

3、器的输入电阻；Ci：放大器的输入电容；CL：连接电缆电容6.压电式传感器压电式传感器 第5页，本讲稿共21页 电压等效电路：电压等效电路：电压源电压源与一个电容串联与一个电容串联+-+-CaCiRiRaCaCL等效电路等效电路实际电路实际电路6.压电式传感器压电式传感器 第6页，本讲稿共21页6.压电式传感器压电式传感器 6.2 6.2 测量电路测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。方可输入到后续显示仪

4、表中。第7页，本讲稿共21页前置放大器的作用有两点前置放大器的作用有两点;其二是将传感器的高阻抗输其二是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出出变换为低阻抗输出;其二是放大传感器输出的微弱电其二是放大传感器输出的微弱电信号。信号。前置放大器电路有两种形式前置放大器电路有两种形式:一种是用电阻反馈的一种是用电阻反馈的电压电压放大器放大器，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)成成正比正比;另一种是用带电容板反馈的另一种是用带电容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的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

5、变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。而电荷放大器应用日益广泛。6.2 6.2 测量电路测量电路 6.压电式传感器压电式传感器 第8页，本讲稿共21页1.1.电压放大器电压放大器（又叫阻抗变换器，将高阻抗输出转为低阻抗输出）（又叫阻抗变换器，将高阻抗输出转为低阻抗输出）UOCa+-CaCiRiRaCLAUOCaA等效为等效为+-UaRaCL电压放大器电路电压放大器电路 第9页，本讲稿共21页2 2、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器实质是一个深度负反馈、高增益的运算放大器，在上图中，略去了电电荷放大器实质是一个深度负反馈、高增

6、益的运算放大器，在上图中，略去了电荷放大器的输入电阻和传感器的泄露电阻（但两个电阻必须足够大）。荷放大器的输入电阻和传感器的泄露电阻（但两个电阻必须足够大）。-A：放大器的开环增益，负号表示输入输出反相；：放大器的开环增益，负号表示输入输出反相；R RF F、C CF F：反馈电阻与反馈电容。：反馈电阻与反馈电容。第10页，本讲稿共21页放大器输入电压：放大器输入电压：放大器输出电压：放大器输出电压：如果如果可忽略传感器等效电容、连接电缆电容和放大器的输入电可忽略传感器等效电容、连接电缆电容和放大器的输入电容的影响，即：容的影响，即：从输出端折合到输入端这是电荷放大器的一大优点，也是为什么常使

7、用电荷放大这是电荷放大器的一大优点，也是为什么常使用电荷放大器的原因。器的原因。第11页，本讲稿共21页并并联联:电电容容增增大大（时时间间常常数数也也增增大大），电电荷荷灵灵敏敏度度增增大大，适适用用于于缓缓慢慢变变化化的的信信号号并并以以电荷作为输出的场合。电荷作为输出的场合。串串联联:电电压压增增大大，电电压压灵灵敏敏度度提提高高，电电容容减减小小（时时间间常常数数也也减减少少），适适用用于于高高频频信信号号并并以以电压作为输出的场合。电压作为输出的场合。6.3压电传感器的应用压电传感器的应用 6 压电式传感器压电式传感器第12页，本讲稿共21页6 压电式传感器压电式传感器6.3压电传感

8、器的应用压电传感器的应用 振动测试测量的参数：振动位移、振动速振动测试测量的参数：振动位移、振动速度和振动加速度，可通过积分、微分相互度和振动加速度，可通过积分、微分相互转换。转换。测振传感器：又称拾振器。测振传感器：又称拾振器。相对式振动传感器：使用不方便，一般不使用。相对式振动传感器：使用不方便，一般不使用。一、压电式测力传感器一、压电式测力传感器二、压电式加速度传感器二、压电式加速度传感器与机械振动的测量与机械振动的测量绝对对式绝对对式振动传感振动传感器：质量器：质量块块+弹簧弹簧+阻尼；阻尼；装在被装在被测物体测物体上上第13页，本讲稿共21页6 压电式传感器压电式传感器6.3压电传感

9、器的应用压电传感器的应用（2）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器测量范围：固有频率一般测量范围：固有频率一般4064kHz，可测频率范围小于可测频率范围小于1/51/10的固有频率的固有频率附加质量的影响：加速度降低，固有频率降附加质量的影响：加速度降低，固有频率降低。低。（1）位移传感器）位移传感器电阻式、电感式、电电阻式、电感式、电容式和霍尔元件等传容式和霍尔元件等传感器均可作为位移传感器均可作为位移传感器感器只有当质量只有当质量m较大，弹簧刚较大，弹簧刚度较小，振动频率足够高度较小，振动频率足够高时，质量块来不及跟随振时，质量块来不及跟随振动体一起振动，质量块相动体一起振动，质量块相

10、对基座的位移才近似等于对基座的位移才近似等于振动体的振幅。振动体的振幅。第14页，本讲稿共21页产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 6压电式传感器压电式传感器第15页，本讲稿共21页案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析6.压电式传感器压电式传感器 第16页，本讲稿共21页（3）压电式超声波传感器）压电式超声波传感器超声波传感器：压电效应和逆压电效应的一个应用：超声波传感器：压电效应和逆压电效应的一个应用：压电材料压电材料（发射探头）（发射探头）压电材料压电材料（接收探头）（接收探头）高频交高频交变电压变电压信号信号超声波超声波传送传送交变电交变电压信号压信号高频超声波

11、的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，方向性好，能高频超声波的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，方向性好，能定向传播，在液体和固体中衰减小，有很强的穿透能力。定向传播，在液体和固体中衰减小，有很强的穿透能力。超声波传感器的应用：无损、非接触检测超声波传感器的应用：无损、非接触检测第17页，本讲稿共21页 超声波探伤（参见教材超声波探伤（参见教材P92，图，图6-16）高频信号高频信号发生器发生器（产生高频（产生高频正弦信号）正弦信号）工件工件发射发射探头探头接收接收探头探头放大器放大器显示显示第18页，本讲稿共21页高频信号高频信号发生器发生器（产生高频（产生高频正弦信号）正弦信号）发射发射探头探头接收接收探头探头放大放大A/D计算机计算机加了凝乳酶的牛加了凝乳酶的牛乳乳恒温恒温水箱水箱 牛乳凝固点的探测牛乳凝固点的探测固固态态液液态态固固液液共共存存电压电压（V）时间时间（min）0第19页，本讲稿共21页案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断6.压电式传感器压电式传感器 第20页，本讲稿共21页作业：p92，2，3，4邮箱：帐号：密码：gccsjs第21页，本讲稿共21页