第五章_电压型传感器1.ppt

第5章 电压型传感器 5.1.2 结构类型 图5-1-2 恒磁通式结构 图5-1-2 恒磁通式结构 5.1.3 测量电路 5.2 压电式传感器 图5-2-2 压电效应的几种类型 图5-2-3 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系 5.2.2 常用压电材料 图5-2-4 石英晶体 图5-2-5 石英晶体的压电效应 图5-2-5 石英晶体的压电效应 图5-2-7 压电陶瓷的压电效应 图5-2-7 压电陶瓷的压电效应 图5-2-7 压电陶瓷的压电效应 5.2.3 压电元件 图5-2-9 压电元件的等效电路 图5-2-10 压电元件的串并联 图5-2-10 压电元件的串并联 5.2.4 接口电路 图5-2-12 电压放大器电路 图5-2-13 电荷放大器 ① d33的纵向压电效应 在z方向上： ② d31的横向压电效应 ③ d32的横向压电效应 ④ 三向应力T1、T2、T3同时作用下的体积形压电效应 当外加三向压力相等（如液体压力）时，有： 体积压缩压电常数 一、压电元件的基本变形方式 有5种基本变形方式：厚度伸缩、长宽伸缩、厚度切变、长宽切变、体积压缩。 2d31+ d33 （34） 纵横向 体积压缩 d14,d25（0.73） 面切 长宽切变 d15,d24 （250） d26（2*2.31） 剪切 厚度切变 d31,d32 （78） d12（2.31） 横向 长宽伸缩 d33 （190） d11（2.31） 纵向 厚度伸缩 压电陶瓷 石英晶体 压电效应 变形方式 石英晶体的长宽切变压电效应最差，很少取用。 压电陶瓷的厚度切变压电效应最好，要尽量取用。 压电陶瓷的的体积压缩压电效应具有优越性，适用于空间力场（如液体压力）的测量。 在压电式传感器中，一般利用压电元件的纵向压电效应较多，这时压电元件大多是圆片式。 压电晶体与压电陶瓷的比较： 相同点：都是具有压电效应的压电材料。 不同点： 　　石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。 　　极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。 图5-2-8 双晶片悬臂梁式压电元件 压电元件的横向压电效应的应用 自由端受力F作用，压电元件产生形变，中心面oo长度不变，aa被拉长，bb被压缩短了，产生压电效应，这时每片压电片产生的电荷为： 可用作加速度传感器和测量粗糙度的轮廓仪的测头 悬臂长度 单片压电片的厚度 二、压电元件的等效电路 压电元件的两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝缘体，因此就构成了一个电容器，其等效电容为： 压电陶瓷或石英晶体的介电常数 极板面积 压电元件厚度（两极板间距离） ?当压电元件受外力作用时，两电极表面产生等量的正、负电荷Q。因此压电元件可等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。 ?压电元件受外力作用时，在电极表面产生电荷时，两电极间将形成电压，其值为： 注意：压电元件不受外力作用时，电极表面没有电荷产生，此时压电元件等效为一个电容器Ca ?压电元件可等效为一个电压源Ua与电容Ca的串联。 三、压电元件的串并联 ?在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、多片压电元件组合在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在两种连接方法： 并联时，相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴，两片之间夹垫金属片并引出导线，两端导线相间并联，n个压电元件可视为一个压电元件 串联时，相邻两片压电元件按相同极化方向粘贴，端面用金属垫片引出导线 ?并联组合后等效压电元件有： ?串联组合后等效压电元件有： （1）串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适用于电压输出、高频信号测量的场合； （2）并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适用于电荷输出、低频信号测量的场合。 ?压电传感器与其前置放大器相连接时的等效电路如图(a): 图5-2-11 压电传感器等效电路 一、压电传感器等效电路 压电元件的电容、漏电阻 连接电缆电容 前置放大器的输入电阻和输入电容 ?压电传感器的输出信号非常微弱，因此，在压电传感器的后面，先接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他电路。 二、电压放大器 ?压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示： ?输出电压为： * * 概 述 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。 磁电式传感器 机械能 电 量 特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低。通常在