传感器与检测技术5.3压电式传感器全解.ppt
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5.3 压电式传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
5.3.2 等效电路及信号变换电路
5.3.3 压电式加速度传感器
5.3.4 压电式测力传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础
压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应
加力 变形 产生电荷
逆压电效应
施加电场 电介质产生变形 应力
常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
1. 石英晶体的压电效应
X轴:电轴或1轴;
Y轴:机械轴或2轴;
Z轴:光轴或3轴。
“纵向压电效应”:沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷
“横向压电效应”:沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷
在光轴(Z轴)方向时则不产生压电效应。
晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷
d11——压电系数(C/N)
作用力是沿着机械轴方向
电荷仍在与X轴垂直的平面
切片上电荷的符号与受力方向的关系
图(a)是在X轴方向受压力,
图(b)是在X轴方向受拉力,
图(c)是在Y轴方向受压力,
图(d)是在Y轴方向受拉力。
石英晶体的压电效应
(a)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。
(b)在X轴方向压缩,表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。
(c)沿Y轴方向压缩,在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷
石英晶体
一种天然晶体,压电系数d11=2.31×10-12C/N;
莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。
优点:
转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃(压电系数不随温度变化而改变)、工作湿度高达100%、稳定性好。
2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体,压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
陶瓷片极化
压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等,
它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用,
因此陶瓷片对外不表现极性。
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力,陶瓷片将产生压缩变形,原来吸附在极板上的自由电荷,一部分被释放而出现放电现象。
当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
常见压电陶瓷 :
(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷
具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。
(2)锆钛酸铅Pb(Zr·Ti)O3系压电陶瓷(PZT)
压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件的
变化小,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素,可以
获得不同性能的PZT材料。
(3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN)
具有较高的压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续工
作,可作为高温下的力传感器。
5.3 压电式传感器
5.3.1 压电式传感器的工作原理
5.3.2 等效电路及信号变换电路
5.3.3 压电式加速度传感器
5.3.4 压电式测力传感器
5.3.2 等效电路及信号变换电路
1. 压电元件的等效电路
2. 压电式传感器的信号调节电路
1. 压电元件的等效电路
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路
(b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
两个压电片的联接方式
(a) “并联”,Q’=2Q,U’=U,C’=2C
并联接法输出电荷大,本身电容大,时间常数大,
适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方,
(b) “串联” Q’=Q,U’=2U,C’=C/2
而串联接法输出电压大,本身电容小。
适宜用于以电压作输出信号,且测量电路输入阻抗很高的地方。
2. 压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值,才能使测量误差小到一定数值以内。
因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器,然后再接一般的放大电路及其它电路。
测量电路关键在高阻抗的前置放大器。
前置放大器两个作用:
把压电式传感器的微弱信号放大;
把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
(1)电压放大器
Ca:传感器的电容
Ra:传感器的漏电阻
Cc:连接电缆的等效电容
Ri:放大器的输入电阻
Ci:输入电容
前置放大器输入电压
压电元件的力 F=Fmsinωt
压电元件的压电系数为d11,产生的电荷为Q = d11·F。
输入电压的幅值
当作用力是静态
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