测试技术_第6章压电式传感器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 压电式传感器,6,1,压电效应及压电材料,一、压电效应,压电效应：,某些物质,(,物体,),，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上会产生电荷,;,当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称之为,压电效应,。,逆压电效应：,如果将这些物质,(,物体,),置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质,(,物体,),产生机械变形的现象，称之为,逆压电效应,，或称之为电致伸缩效应。,如果从石英晶体中切下一个平行六面体,(,如图,),并使其晶面分别平行于,z,一,z,、,y,一,y,、,x,一,x,轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴,(x,轴,),方向的作用力,(,一般利用压力,),产生的压电效应称为,“,纵向压电效应,”,；把沿机械轴,(y,轴,),方向的作用力产生的压电效应称为,“,横向压电效应,“,；在光轴,(z,轴,),方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时， 则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,纵向压电效应：,Q,XX,=d,11,F,X,横向压电效应：,Q,XY,=,-,d,11,F,y,b/a,式中：压电系数即压电材料受力时所产生的电荷与作用力之间的比例系数。,二、压电材料：,具有压电效应的物质,(,物体,),称为压电材料,(,或称为压电元件,),。,分类：,常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,1,、压电单晶体 ：,有石英,(,包括天然石英和人造石英,),、水溶性压电晶体,(,包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵,;,酒石酸二钾、硫酸锤等,);,2,、多晶体压电陶瓷：,有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中。可以把它用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴,Z,称为光轴,;,通过六棱线而垂直于光铀的,X,铀称为电轴,;,与,X,一,X,轴和,Z,一,Z,轴垂直的,y,一,y,轴,(,垂直于六棱柱体的棱面,),，称为机械轴。,6-2,测量电路,压电晶片的等效电路,：,一个电荷源,Q,；,一个以压电材料为介质的电容,C,a,；,绝缘漏电阻,R,a,。,压电传感器的等效电路：,后续输入电路的输入电容,C,i,；,连接电缆的寄生电容,C,L,；,后续电路与传感器本身电阻,R,a,形成的泄露电阻,R,0,。,前置放大器,原因：,由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。,前置放大器的作用：,1,、将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出,;,2,、放大传感器输出的微弱电信号。,前置放大器电路的形式,:,1,、电压放大器：,用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压,(,即传感器的输出,),成正比,;,2,、电荷放大器：,即带负反馈电容的高增益运算放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器电路可以彻底消除的电缆分布电容的影响，电荷放大器的应用日益广泛。,电压放大器,使用电压放大器，传感器与前置放大器组成的测量系统输出电压与电缆电容有关。因此，对电缆电容的变化非常敏感，电缆的长度和型号变化时都会引起仪器的灵敏度变化。所以，在实际测量中很不实用。,电荷放大电路,电荷放大器电路的输出电压为：,其中：,k,为电荷放大器开环放大倍数；,c,i,为放大器输入电容；,c,f,为电荷放大器反馈电容。,如果放大器开环增益足够大，则 ，故上式可简化为：,上式表明，在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。,6,3,压电式传感器及其应用,一、压电式传感器,最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力,F,的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。,如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为：,q=DF,上式表明，电荷量与作用力成正比。当然，在作用力终止时，电荷就随之消失。显然，若要测得力值,F,，主要问题是如何测得电荷值。值得注意的是,:,利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。,二、压电式传感器的应用,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，而常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。,粘结的方法：,1,、并联。两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上。并接时，传感器的电容量大，输出电荷量大，时间常数大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出情号；,2,、串联。正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联时，传感器本身的电容量小，响应较快，输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,设单晶片的参数为：,Q,，,C,a,和,U,a,，则,并联晶片的输出参数：,Q=2Q,；,C,a,=2C,a,，,U,a,=U,a,串联晶片的输出参数：,Q=Q,；,C,a,=C,a,/2,，,U,a,=2U,a,1,、加速度传感器,图为压电式加速度传感器的结构原理图。压电元件一般由两块压电片组成，在压电片的两表面上镀有银层，并在银层上焊有引出线，或在两压电片间夹一片金属薄片，引出线焊在薄片上，输出端另一根引出线直接与基座相连。压电片上有一质量块，一般用比重大的金属钨或合金做成。,当传感器随振动体振动时，压电晶片将受到质量块的惯性力作用而产生压电效应，其两端面上将产生数量相等，极性相反的电荷。电荷,Q,的大小与作用力,F,成正比。根据牛顿定律：,F=ma,，而,可见，压电传感器的输出电压与加速度成正比。,加速度传感器的结构要求：,1,、在保证所需质量前提下应使体积尽量小。,2,、为了消除压电元件和质量块间的接触不良而引起的非线性误差及保证传感器在交变力作用下能正常工作，要用硬弹簧对压电元件施加预压负荷。静态预压负荷大小应远大于传感器在振动、冲击测试中可能承受的最大动应力。这样，当传感器向上运动时，质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力增加；反之，当传感器向下运动时，压电元件上的压应力减小。传感器的整个组件装在一个厚基座上，并用金属壳封罩。,3,、选择合理的连接方法，保证固定刚性。,2,、压力传感器,下图为压电式压力传感器的结构原理图。为了使预紧力均匀地分布在压电元件上，用螺钉,6,通过钢珠,5,和有凹坑的压板,4,紧压在压电元件上。钢珠和压板上凹坑有自动找平作用，避免受力不均匀。压电元件,3,和,l,极性为正的一面通过铜片,2,引出，极性为负的一面经由壳体相连并引出。,3,、压电式超声波传感器,超声波：,是人耳不能辨别接受的声波段，即高于,18KHz,的声波。,超声波传感器：,是利用压电元件发射和接收超声波信号，也叫超声波探头。,超声波发生器：,利用逆压电效应可以发射超声波。,超声波接受器：,利用正压电效应可以接受超声波。,可以用一个探头同时实现发射和接受两种功能。,2024/9/17,Song Yonggang,14,Introduction(,简介）,The advantages of the ultrasonic waves:,Higher frequency waves have shorter wavelengths:this means that diffraction,(,衍射,),or bending around an obstacle of given dimensions is correspondingly reduced;,Ultrasonic waves can pass easily through the metal walls of pipes and vessels. This means non-invasive(,非侵入式）,measurement.,Ultrasonic can be launched into and propagated through biological tissue making it useful for medical applications.,The silence of ultrasound means that it is important in minitary applications.,超声波测距原理,其中：,h,距离,t,t,超声波往返时间；,C,L,超声波传播速度,超声波传感器的工作原理,超声波在空气介质中的传播速度,式中,:,P,空气压力；,空气密度；,-,比热。,超声波探头的结构,沥青摊铺机中使用的超声波传感器,在摊铺机上的应用,