6压电式传感器.pptx

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1、2023/4/13 14:4016.2 石英SiO2晶体的压电效应光轴:纵轴方向,无压电效应,无机械变形电轴:通过棱线垂直于光轴,电荷积累方向机械轴:垂直于光轴与电轴,机械变形方向光轴电 轴(纵向)机械轴(横向)石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应切片切片xyO-2Si+4第1页/共28页2023/4/13 14:402横向压电效应横向压电效应6.2 石英晶体的压电效应SiO2晶片：1个Si原子2个O原子不受力时，正负平衡，各向对外不显电性；电轴受压，机械轴变形，电轴积累电荷，上负下正；机械轴受压变形，电轴积累电荷，上正下负；受力方向相反时，电荷极性也翻转xyO-2Si+4xyO-2Si+4+

2、-xyO-2Si+4-+纵向压电效应纵向压电效应电偶极距电偶极距第2页/共28页2023/4/13 14:403横向压电效应横向压电效应6.2 石英晶体的压电效应结论：压电传感器可直接测动态力、加速度；传感器输出电荷是各向力产生电荷的代数和；非单向力测量时须考虑横向效应的影响。xyO-2Si+4xyO-2Si+4+-xyO-2Si+4-+纵向压电效应纵向压电效应第3页/共28页2023/4/13 14:404横向压电效应横向压电效应6.2 石英晶体的压电效应电荷密度：压电传感器主要用于单向应力测量电致伸缩量：电荷输出：被测量：应力、力xyO-2Si+4xyO-2Si+4+-xyO-2Si+4-

3、+纵向压电效应纵向压电效应qxx:单位单位C/cm2d11:压电常数常数压电常数常数U x:电轴外加电压电轴外加电压光轴电 轴机械轴第4页/共28页2023/4/13 14:4056.2 石英晶体的压电效应石英晶体的性能参数石英晶体的性能参数压电常数:材料压电效应强弱的参数,影响电荷输出的灵敏度;刚度:决定压电器件的固有频率和动态特性,刚度越大固有频率越高;介电常数:增大传感器固有电容,消弱分布电容影响;电阻:高的绝缘电阻减少电荷泄漏,改善压电传感器的低频特性;温度稳定性和时间稳定性.第5页/共28页2023/4/13 14:4066.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料;

4、材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴;无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，各自的极化效应被相互抵消，内极化强度为零;因此原始的压电陶瓷呈中性，无压电性质;极化处理后才具有压电效应.原始的压电陶瓷原始的压电陶瓷第6页/共28页2023/4/13 14:4076.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的极化处理压电陶瓷的极化处理:原始压电陶瓷：电畴无序排列在一定的温度下加以强电场,电畴与电场方向一致,极化保持取消电场,电畴方向有所恢复剩余极化强度与电场趋于一致陶瓷两端出现束缚电荷陶瓷吸附外界电荷与束缚电荷平衡,对外不显电荷受力变形时,剩余电畴方向变化,电荷平衡破坏输出电荷与力成正比 Q=d33F.+第7页

5、/共28页2023/4/13 14:4086.3 压电陶瓷的压电效应小结:压电陶瓷的压电常数是变化的:极化23月后稳定,2年后会下将定期标定具有逆压电效应刀锯补偿压电常数远大于压电晶体；温度、时间温度性差使用温度1010第10页/共28页2023/4/13 14:40116.4 压电传感器的等效电路压电传感器特点当负载无穷大时,电荷才能保留下来;负载较小时,电荷会泄漏.结论:压电传感器不适应于静态测量;压电传感器适应于动态测量:当时间常数RLCa足够大时电荷得以及时补充;RL数百兆欧以上U Ua aC Ca a(b b)R RL L(a a)q qC Ca aR RL L第11页/共28页20

6、23/4/13 14:40126.4 压电传感器的等效电路压电晶片的连接方式目的：提高电荷灵敏度或电压灵敏度并联方式：电荷增加/时间常数增加 用于电荷放大器/缓变信号测量串联方式：电压增加/时间常数减小 用于电压放大器/高频信号测量并联并联并联并联+串联串联串联串联+第12页/共28页2023/4/13 14:40136.5 压电传感器的信号调理电路压电传感器测量电路的主要作用：防止电荷泄漏高的输入阻抗(1000M)传感器高输出阻抗变换为低阻抗输出(100)压电传感器的微弱信号放大测量电路的组成前置放大器(防止泄漏，阻抗变换)二级放大器(一般放大作用)前置放大器的类型电压放大器(简单、廉价、可

7、靠，精度低)电荷放大器(高精度、高灵敏度)第13页/共28页2023/4/13 14:40146.5.1 电压放大器测量电路简化作用于传感器的交变力放大器输入阻抗很大时，传感器电流C Ca aQ QR Ri iC Ci iC Cc cR Ra aC CQ QR RA AU Ui iU U0 0I第14页/共28页2023/4/13 14:40156.5.1 电压放大器放大器输入电压幅值及相位当Ra、RL无穷大时R无穷大,即无电荷泄漏时理想输入实际输入电压与理想输入电压幅值比C CQ QR RK KU Ui iU U0 0I第15页/共28页2023/4/13 14:40166.5.1 电压放大

8、器特性分析当 时一般要求前置放大器等于传感器输出电压，相位差为0；当 时传感器电荷经Ra和Ri泄漏，测量灵敏度下降；频率越低，灵敏度越小；当 时结论压电传感器只适应于动态测量，不能进行静态测量；增加时间常数可以在一定程度上提高灵敏度；灵敏度与导线分布电容有关。C CQ QR RK KU Ui iU U0 0I第16页/共28页2023/4/13 14:40176.5.2 电荷放大器高输入阻抗:10101012;低输出阻抗:100输出电压正比于输入电荷量；灵敏度与导线长度无关；实质：具有电容负反馈的高增益放大器(Cf)忽略Ra和RiQRfK第17页/共28页2023/4/13 14:4018QR

9、fKa6.5.2 电荷放大器放大器开环增益K足够高时，(K=104108)运放器输入输出电压关系电荷平衡方程结论：输出电压与电荷量成正比；输出电压只与反馈电容有关；与导线分布电容无关；改变Cf可得到合适的灵敏度Rf 减小零漂:1081010Ui第18页/共28页2023/4/13 14:40196.6 压电式传感器的应用动态力、压力传感器：加速度传感器流量计声音传感器超声发射接收器第19页/共28页2023/4/13 14:4020（1）压电式加速度传感器结构：压电元件、质量块、预紧弹簧、基座等整个部件装在外壳内，由螺栓加以固定弹弹簧簧压压电电片片质质量量块块壳壳体体基基座座螺螺栓栓n外壳振动

10、加速度a时，n质量块惯性力F F=man电荷:Qd11F n Q=d11man灵敏度：SqQ/a=d11m单向力传感器第20页/共28页2023/4/13 14:4021压电式加速度传感器的频率特性压电加速度传感器等效系统x、a:壳体(被测物)振动绝对位移及加速度；xm：质量块运动的绝对位移；xm-x：质量块相对与外壳的相对位移:Mck第21页/共28页2023/4/13 14:4022压电式加速度传感器的频率特性传递函数频响函数Mck第22页/共28页2023/4/13 14:4023压电式加速度传感器的频率特性质量块与振动体之间的相对位移xm-x等于压电晶片受力后产生的变形量,在弹性范围内

11、F为作用于压电元件上的力,ky压电元件弹性系数传感器输出电荷：电荷灵敏度：单位加速度产生的电荷第23页/共28页2023/4/13 14:4024压电式加速度传感器的频率特性讨论：当传感器输出电荷正比于被测加速度；相位趋于零；当 输出电荷趋于零；在 附近存在非线性。Mckl压电式传感器工作区域：l因电荷泄漏：l压电传感器只能进行动态测量5104A()fn1Hz第24页/共28页2023/4/13 14:4025（2）单向力传感器构成：石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座上盖为弹性元件,外缘壁厚为0.10.5mm,外力作用时,产生弹性变形,将力传递到石英晶片，实现力电转换；石英晶片尺寸为81 mm

12、；测力范围为0500Kg；最小分辨率为0.1g；固有频率为5060 kHz；整个传感器重10g。第25页/共28页2023/4/13 14:4026（3）压电式压力传感器结构：弹性膜片、压电晶片、电极、基体、引线等利用膜片对 晶片施加预紧力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弹性膜片弹性膜片弹性膜片弹性膜片电极电极电极电极p pn两个相同的膜片对晶片施加预紧力可消除加速度的影响第26页/共28页2023/4/13 14:4027原理：原理：声学多普勒效应声学多普勒效应 两个压电超声换能器两个压电超声换能器 每隔一段时间发射和每隔一段时间发射和 接收互换一次接收互换一次 (如如1/100s)1/100s)在顺流或逆流的情况在顺流或逆流的情况 下，发射和接收的相下，发射和接收的相 位差与流速成正比。位差与流速成正比。（4）压电式流量计压电式流量计流量显示流量显示输出信号输出信号换能器换能器换能器换能器接收接收接收接收发射发射发射发射第27页/共28页2023/4/13 14:4028谢谢您的观看！第28页/共28页