壓電式傳感器 (4)講稿

1、關(guān)于壓電式傳感器 (4)第一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2第6章 壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)6.2壓電材料6.3等效電路6.4測量電路6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析第二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月36.3 等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。(a)qCa其電容量為：第三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月4當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為 因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路

2、，如圖 (b)。UaCa(b)第四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月5壓電傳感器的等效電路（a） 電壓源; （b） 電荷源 第五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月6實(shí)際使用時，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。第六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月7壓電傳感器的完整等效電路 （a） 電壓源; （b） 電荷源 第七張，PPT共四十四頁

3、，創(chuàng)作于2022年6月8值得注意的是：利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。第八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月96.4 測量電路壓電晶片的連接方式 在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。第九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月10并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳

4、感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。(a)并聯(lián)+第十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月11串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。 (b)串聯(lián)+第十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月12第十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月13 在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測

5、量電路輸入阻抗很高的場合。 第十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月14由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）第十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月15前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成

6、正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。第十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月16壓電傳感器接放大器的等效電路 （a） 放大器電路; （b） 等效電路1. 電壓放大器（阻抗變換器）(a)(b)AuoCiRiCeReCauaCRCauauiAu0第十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月17 在上圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，則其電壓為 （6-20） 式中： Um壓電元件輸出電壓幅值， Um=d33Fm/Ca； d33壓電系數(shù)。

7、 第十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月18由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為 (6-21) Ui的幅值Uim為 .輸入電壓和作用力之間相位差為 (6-22) (6-23) 第十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月19 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-22）可知，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時，就可以認(rèn)為Uim與無關(guān)，0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 (6-24) 第十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月20 這表明壓電傳感

8、器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵ㄟ^放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。 第二十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月21 當(dāng)(Ca+Cc+Ci)R1 時，放大器輸入電壓Uim如式（6-24）所示，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測量誤差。 第二十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月22 電荷放大器等效電路2. 電荷放大器第二十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于

9、2022年6月23 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。輸入到放大器的電荷量為： 式中 ： q傳感器產(chǎn)生的電容量； qF反饋電容的電容量。 第二十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月24由前圖可知式中 ： K放大器的開環(huán)增益而將以上公式整理，可得放大器的輸出電壓第二十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月25由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓 通常K=104108，因此,當(dāng)滿足(1+K )CfCa+Cc+Ci時，上式可表示為： （6-30

10、） （6-29） 第二十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月26 由上式知，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與反饋電容CF，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。 在實(shí)際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100104pF。 第二十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月27電荷放大器的靈敏度為由上式可以看出，放大器的靈敏度取決于CF。CF越小靈敏度越高。第二十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月28 壓電式傳感器在測量低壓力時線性度不好，主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳

11、遞系數(shù)非線性所致。 為此， 在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。 特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。 第二十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月29 如圖是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 壓力式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖 6.5 壓電式傳感器的應(yīng)用第二十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月30 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，

12、利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。第三十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月31下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式加速度傳感器第三十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月32 當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即 F=ma式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。 第三十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月33與加速度a成正比。因此，測得

13、加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)， 則傳感器輸出電荷為第三十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月34壓電式壓力傳感器壓電式測壓傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p第三十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月35當(dāng)膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強(qiáng)P成正比。第三十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月36壓電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，由于壓

14、電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短 。第三十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月37當(dāng)一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號轉(zhuǎn)換成了交變電信號。這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器。第三十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月38如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。第三十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月39壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì)流量顯示輸出信號換能器換能器接收

15、接收發(fā)射發(fā)射壓電超聲換能器每隔一段時間(如1/100s)發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。 第三十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月40壓電式傳感器在測漏中的應(yīng)用ABO點(diǎn)LALB地 面L如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可計(jì)算出LA或LB。第四十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月41兩者時間差為t= tA-tB=（LA - LB ）/v又L=LA +LB ，所以 第四十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月42壓電聲傳感器在超聲速測量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用超聲速測量實(shí)驗(yàn)裝置信號發(fā)生器S1示波器頻率計(jì)S2l游標(biāo)卡尺