第五章压电式传感器第三节压电式传感器的应用.ppt

第五章 压电式传感器 §5-1 压电效应 §5-2 压电式传感器的测量电路 §5-3 压电式传感器的应用 §5-3 压电式传感器的应用一、压电加速度传感器 　　 加速度传感器有纵向效应、横向效应和剪切效应型三种类型，最常用的是纵向效应型，其结构如图所示。 一、压电加速度传感器１、工作原理 　　 加速度传感器可用质量、弹簧和阻尼组成的二阶系统（力学模型）来描述。 一、压电加速度传感器１、工作原理 【工作原理】当传感器受振动时，若质量块与被测物体的质量相比很小时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，在力的作用下，压电陶瓷片上将产生电荷（压电效应），此电荷的大小与加速度成正比，即 一、压电加速度传感器 ２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 　　 由二阶系统的动态特性可知，系统的传递函数为一复数，有幅频特性和相频特性，表达式分别如下 一、压电加速度传感器２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 　　 由二阶系统的动态特性可知，系统的传递函数为一复数，有幅频特性和相频特性，表达式分别如下 一、压电加速度传感器２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 式中　　　　　　，称为相对阻尼系数 　　　　　 　　 ，称为传感器的固有频率 ,为振动物体的位移 　 　　,为质量块的位移 　 　　,为质量块与振动物体间的相对位移， 也就是压电元件受力后的变形量 一、压电加速度传感器２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 　 有： 　　 其中，ky为压电元件弹性系数。将上式代入电荷与力的关系式，有 ? 　　 将上式代入传感器幅频特性公式,便得压电加速度传感器的灵敏度与被测振动频率的关系式 一、压电加速度传感器２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 压电式加速度传感器的频响特性 一、压电加速度传感器２、压电加速度传感器灵敏度与振动频率的关系 　图中可以看出，当被测物体的振动频率远小于传感器的固有频率时，传感器的相对灵敏度近似为常数，即 ?　　　　　　 ?　　 由于压电加速度传感器的固有频率高。一般在几千Hz以上，所以测量频率范围宽。但是传感器的低频响应与前置放大器有关，当采用电压放大器时，将取决于变换电路的时间常数，前置放大器输入电阻越大由频率限越低。 §5-3 压电式传感器的应用二、压电式压力传感器 压电式压力传感器以结构如下 §5-3 压电式传感器的应用二、压电式压力传感器 　　 当膜片受到压力作用时，在压电晶体上产生电荷。每片压电片上产生的电荷为 　式中　F ─ 作用在压电片上的力 　 d11─ 压电系数 　 P ─ 压强，P=F/S 　 S ─ 膜片的有效面积 §5-3 压电式传感器的应用二、压电式压力传感器 若传感器只有一个压电晶体，则电荷灵敏度和电压灵敏度如下? 　 电荷灵敏度 　 电压灵敏度 　 式中，Ce为压电片等效电容。 §5-3 压电式传感器的应用三、压电式流量计 　　 压电式流量计是利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不同来进行测量的。主要元件是压电超声换能器，流量计结构如下 §5-3 压电式传感器的应用三、压电式流量计 　　 在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比，根据这一关系，便可以精确测定流速，流速乘以管道横截面积便得到流量。这种流量计可以测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受被测流体的导电率、粘度、密度和组成成分的影响。其精确度在0.01％～0.5％之间。 　　 测量时，每隔一段时间（例如1/100 s），发射和接收一次。