現(xiàn)代檢測技術(shù)-李英順-電子教案-第8章.ppt

一、壓電效應(yīng),二、壓電元件,三、接口電路,四、壓電式壓力傳感器,第8章 壓電式傳感器,壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)是可逆的。因此，壓電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器”。 壓電式傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量輕、測量范圍廣等許多優(yōu)點。因此在壓力沖擊和振動等動態(tài)參數(shù)測試中，是主要的傳感器品種，它可以把加速度、壓力、位移、溫度、濕度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。 壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有左右。,一、壓電效應(yīng),（一）壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對的表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，上述這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，這些電介質(zhì)會產(chǎn)生變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)，也稱為電致伸縮效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，常用壓電材料如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。,圖8-1 石英晶體的外形與晶軸,當(dāng)晶片在沿x軸的方向上受到壓縮應(yīng)力 作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶片的線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度 與應(yīng)力 成正比，即： 式中， 為沿晶軸x方向施加的壓縮力； 為壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時壓電系數(shù)也不同，石英晶體的 ； l、b 分別為石英晶片的長度和寬度。,壓電系數(shù) 的下標(biāo)mn的意義是：m表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，n表示施加作用力的軸向。在石英晶體中，下標(biāo)1對應(yīng)x軸，2對應(yīng)y軸，3對應(yīng)z軸。 極化強(qiáng)度 等于晶片表面的電荷密度，即： 式中， 為垂直于x軸平面上的電荷。 把 值代入 得：,由上式可以看出，當(dāng)晶片受到x向的壓力作用時， 與作用力 成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。 其極間電壓為： 式中， 電極面間電容， S極板面積，單位為 ； h晶片厚度，單位為 m； 壓電晶體的介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)（ ）； 壓電晶體的相對介電常數(shù)（4.58）。,根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即 或用應(yīng)變表示，則 式中， x軸方向的電場強(qiáng)度。 在x軸方向施加壓力時，石英晶體的x軸正向帶正電；如果作用力 改為拉力，則在垂直于x軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，電荷的極性如圖8-2所示。,圖8-2 晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系,如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與x軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖8-2，此時電荷的大小為： 式中， 為石英晶體在y軸方向上受力時的壓電系數(shù)。 根據(jù)石英晶體軸的對成條件： 則上式為： 式中，h為石英晶片厚度。,負(fù)號表示沿y軸的壓縮力產(chǎn)生的電荷與沿x軸施加的壓縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。由上式可見，沿機(jī)械軸方向?qū)┘幼饔昧r，產(chǎn)生的電荷量與晶片的幾何尺寸有關(guān)。 則其電極間電壓為 根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即 或用應(yīng)變表示 石英晶體除了有縱向、橫向壓電效應(yīng)外，在切向應(yīng)力作用下也會產(chǎn)生電荷。,由上述可知： 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場效應(yīng)）之間呈線性關(guān)系。 晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。,二、壓電元件,（一）壓電元件的連接方式 在壓電傳感器中，為了提高靈敏度，壓電材料一般不只用一片而是用兩片或兩片以上組合在一起，稱為疊層式壓電組合器件。,圖8-3 兩壓電片的連接方式,在8-3a圖中，兩壓電片的負(fù)極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種接法稱為并聯(lián)。其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓，即C=2C，U=U，q=2q 圖8-3b的接法是正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，輸出電壓U為單片電壓口U的兩倍，總電容C為單片電容C的一半，即：q=q，U=2U， C=C/2,（二）等效電路 可以把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器，也可以把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，其電容值為： 式中， S壓電片面積； h壓電片厚度； 壓電材料相對介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)( )； 壓電元件的內(nèi)部電容。,圖8-4 壓電傳感器的等效電路,壓電傳感器在測量時要與測量電路相連接，于是就得考慮于是就考慮電纜電容 、放大器的輸入電阻 、輸入電容 ，以及壓電傳感器的泄漏電阻 ?？紤]這些因素，等效電路就如圖8-5所示，它們的作用是等效的。 將圖8-5簡化后的電路電路如圖8-6所示。,圖8-5 壓電傳感器完整的等效電路,圖8-6 完整電路的等效電路,三、接口電路,壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高，而輸出的能量又非常微弱，因此它的測量電路通常需要由一個高輸入阻抗的前置放大器作為阻抗匹配，然后方可采用一般的放大、檢波、指示等電路，或者經(jīng)功率放大至記錄器。 壓電傳感器的前置放大器有兩個作用：一是把壓電傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出：二是放大壓電傳感器輸出的弱信號。因此設(shè)計前置放大器也有兩種形式，一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。,（一）電壓放大器 壓電傳感器與電壓放大器的連接電路如圖8-7所示。,圖8-7 電壓放大器,（二）電荷放大器 電荷放大器是一個具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖8-8所示。 在使用壓電傳感器時需注意該傳感器不能測量靜態(tài)參數(shù)，而采用電壓放大器，更換電纜時，須重新校正；采用電荷放大器，更換電纜時，無須重新校正。,圖8-8 電荷放大器,四、壓電式壓力傳感器,圖8-9所示為 壓電式壓力傳感器 的結(jié)構(gòu)，壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電原價按受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號與