壓電式力傳感器

1、關于壓電式力傳感器1現(xiàn)在學習的是第一頁，共71頁2 ?，F(xiàn)在學習的是第二頁，共71頁3壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計壓電警號壓電警號壓電加速度計現(xiàn)在學習的是第三頁，共71頁4現(xiàn)在學習的是第四頁，共71頁5石英晶體的壓電效應演示石英晶體的壓電效應演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。由于表面漏電而很快泄漏、消失?，F(xiàn)在學習的是第五頁，共71頁6壓電元件壓電元件機

2、械能電能正壓電效應正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應現(xiàn)在學習的是第六頁，共71頁7現(xiàn)在學習的是第七頁，共71頁8超聲波傳感器超聲波傳感器現(xiàn)在學習的是第八頁，共71頁9ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYX石英晶體的理想外形是一石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為稱為光軸光軸；經(jīng)過正六面體；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為軸稱為電軸電軸；與；與XX軸和軸和ZZ軸同時垂直的軸同時垂直的YY軸（垂直于正六面體的軸（垂直于正六面

3、體的棱面）稱為棱面）稱為機械軸機械軸。現(xiàn)在學習的是第九頁，共71頁10(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+ 石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構決定的。組成石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構決定的。組成石英晶體的硅離子石英晶體的硅離子Si4+和氧離子和氧離子O2-在在Z平面投影，如圖平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列中正六邊形排列，圖中，圖中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 現(xiàn)在學習的是第十頁，共71頁11晶體沿晶體沿X X方向?qū)?/p>

4、產(chǎn)生收方向?qū)a(chǎn)生收縮，電偶極矩在縮，電偶極矩在X X方方向的分量為向的分量為(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3) Y=0(P1+P2+P3 ) Z=0即即在在X X軸的正向出現(xiàn)正軸的正向出現(xiàn)正電荷，在電荷，在Y Y、Z Z軸方向軸方向則不出現(xiàn)電荷則不出現(xiàn)電荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正、負離子（正、負離子（即即Si4+和和2O2-）正好）正好分布在正六邊形頂分布在正六邊形頂角上，形成三個互角上，形成三個互成成120 夾角的偶極矩夾角的偶極矩P1、P2、P3，電，電偶極偶極矩的矢量和等于零，矩的矢量和等于零，即即

5、 P1P2P30（P1+P2+P3）X1，那么，輸入電壓幅值Uim為 icamimCCCdFU上式表明理想情況時前置放大器輸入電壓上式表明理想情況時前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關，一般在與頻率無關，一般在/03時時，就可以認為，就可以認為Uim與與無關無關，0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 RCCCica)(110這表明在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下這表明在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電傳感器有很好壓電傳感器有很好的高頻響應，也就是測量電路輸出與被測信號頻率無關的高頻響應，也就是測量電路輸出與被測信號頻率無關?，F(xiàn)在學習的是第三十五頁，共71頁36 當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（當作

6、用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時，）時， 前置放大器的輸出前置放大器的輸出電壓等于零，電壓等于零， 因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，阻漏掉， 所以所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。01222)()(icamimCCCRRdFU現(xiàn)在學習的是第三十六頁，共71頁37當被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數(shù)不大時，會造成傳感器靈敏度下降，因而要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得因為R1，故上式

7、可以近似為可見，可見，Ku與回路電容成反比與回路電容成反比，增加回路電容必然使，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應也越好。當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長，則傳感器低頻響應也越好。當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時度時Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。將改變，必須重新校正靈敏度值?，F(xiàn)在學習的是第三十七頁，共71頁38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。 現(xiàn)在學習的是第三十八頁，共71頁

8、39例：一只壓電式加速度計，供它專用的電纜長度為例：一只壓電式加速度計，供它專用的電纜長度為1.2m，電纜電容，電纜電容為為100pF，壓電片本身電容為，壓電片本身電容為1000pF。出廠時標定的電壓靈敏度為。出廠時標定的電壓靈敏度為100v/g(g為重力加速度），若使用中改用另一根長為為重力加速度），若使用中改用另一根長為2.9m的電纜，其電容量為的電纜，其電容量為300pF，問電壓靈敏度會不會改變，如何改變？，問電壓靈敏度會不會改變，如何改變？UaCcCaU0將壓電式加速度計等效為電壓源，不考慮其泄露電阻，其等效電路如圖所示。輸出電壓為：caaaCCUCU0電纜電容改變?yōu)镃c時，輸出電壓變

9、為：caaaCCUCU0壓電式加速度計的電壓靈敏度與輸出電壓成正比，所以更換電纜后，靈敏度變?yōu)椋篻VSCCCCSUUScaca/.6841003001000100100000現(xiàn)在學習的是第三十九頁，共71頁40電荷放大器由一個反饋電容C f和高增益運算放大器構成。 2. 電荷放大器電荷放大器若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋電容CF。由圖可知i的表達式為：iAUU0FiFiiiCjAUCjAUUZUUi)()(1110U0(a)電荷放大器電路電荷放大器電路qCaUiCcCi現(xiàn)在學習的是第四十頁，共71頁

10、41根據(jù)該式畫出等效電路圖(b)反饋電容反饋電容CF等效到A0的輸入端時，電容CF將增大(1A0)倍。所以圖中C=(1 A0)CF；這就是所謂“密勒效應”的結(jié)果。FiFiiiCjAUCjAUUZUUi)()(1110(a)電荷放大器電路電荷放大器電路qCaUiCcCiU0(b)電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U0現(xiàn)在學習的是第四十一頁，共71頁42運放輸入電壓運放輸入電壓ficaiCCCCqU運算放大器輸出端電壓為：運算放大器輸出端電壓為：ficaiCACCCqAAUU)(10(b)電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U0通常A=104108

11、 ,（A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，則上式可近似為：，則上式可近似為：ffCqCAqAU-)(10現(xiàn)在學習的是第四十二頁，共71頁43說明電荷放大器輸出電壓只與電荷說明電荷放大器輸出電壓只與電荷q、反饋電容、反饋電容Cf有關，與放大倍數(shù)及電纜電容有關，與放大倍數(shù)及電纜電容無關無關,當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出，這是電荷放大器的最大特點。這是電荷放大器的最大特點。反饋電容反饋電容Cf為常數(shù)時，輸出電壓與電荷為常數(shù)時，輸出電壓與電荷q成正比。成正比。反饋電容增大，輸出電壓將減小，所以應選擇合適的反饋電容反饋電容增大，輸出電壓將減小，所以應選擇合適的反饋

12、電容Cf值。值。CF一般取值100-104pF。ffCqCAqAU-)(10現(xiàn)在學習的是第四十三頁，共71頁44七、壓電式傳感器的應用七、壓電式傳感器的應用（一）壓電式加速度傳感器（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（四）集成壓電式傳感器（五）壓電傳感器在自來水管道測漏中的應用（五）壓電傳感器在自來水管道測漏中的應用（六）超聲應用（六）超聲應用現(xiàn)在學習的是第四十四頁，共71頁45 當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的

13、振動，并受較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345縱向效應型加速度縱向效應型加速度傳感器的截面圖傳感器的截面圖（一）（一） 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構：縱向效應型、橫向效應型和結(jié)構：縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種，縱向效應是最常剪切效應型三種，縱向效應是最常見的。壓電陶瓷見的。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊和質(zhì)量塊2為環(huán)型，為環(huán)型，通過螺母通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。

14、測量時將傳之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極起。輸出信號由電極1引出。引出。qd33Fd33ma現(xiàn)在學習的是第四十五頁，共71頁46連接方式：圖連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的為并聯(lián)形式，片上的負極負極集中在中間極上，集中在中間極上，其輸出電容其輸出電容C為單片電容為單片電容C的兩倍，但輸出電壓的兩倍，但輸出電壓U等于單片等于單片電壓電壓U，極板上電荷量，極板上電荷量q為單片電荷量為單片電荷量q的兩倍，即的兩倍，即圖圖( (b) )為串聯(lián)形式，為串聯(lián)形式，正電荷正電荷集中在上極板，集中在上極板，負電荷負電荷集中

15、在下集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單等于單CCUUqq22；片電荷片電荷q，而輸出電壓，而輸出電壓U為單片為單片電壓電壓U的二倍，總電容的二倍，總電容C為單為單片電容片電容C的一半，即的一半，即CCUUqq212；+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件+l并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。于以電荷作為輸出量的場合。l串聯(lián)接法，輸出電

16、壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。電路輸入阻抗很高的場合。現(xiàn)在學習的是第四十六頁，共71頁47（二）（二） 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構形式。但它們的基本原理相同。形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體、殼體2、基、基座座3、壓電晶片、壓電晶片4、受壓膜片、受壓膜片5及導電片及導電片6組成。當膜片組成。當膜片5受受

17、到壓力到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷片上所產(chǎn)生的電荷q為為 SPdFdq1111F作用于壓電片上的力；作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；壓電系數(shù)；P壓強，壓強， ；S膜片的有效面積。膜片的有效面積。SFP 123456p壓電式測壓傳感器原理圖壓電式測壓傳感器原理圖現(xiàn)在學習的是第四十七頁，共71頁48 測壓傳感器的輸入量為壓力測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSd

18、ku因為因為 ，所以電壓靈敏度也可表示為，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容壓電片等效電容電荷靈敏度電荷靈敏度電壓靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度現(xiàn)在學習的是第四十八頁，共71頁49壓磁式傳感器基本原理傳感器的形式參數(shù)選取的基本原則壓磁傳感器的誤差下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第四十九頁，共71頁50基本原理壓磁效應: 某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械應力，從而引起磁導率的改變。磁致伸縮: 某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會產(chǎn)生變形，有些伸長，有些則壓縮。上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十頁，共71頁51磁致伸縮 正磁致伸縮: 當某些

19、材料受拉時，在受力方向上磁導率增高，而在與作用力相垂直的方向上磁導率降低； 負磁致伸縮: 某些材料受拉時，在受力方向上磁導率降低，而在與作用力相垂直的方向上磁導率增高 只有在一定條件下(如磁場強度恒定)壓磁效應才有單值特性，但不是線性關系 上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十一頁，共71頁52鐵磁材料的壓磁應變靈敏度表示方法與應變靈敏度系數(shù)表示方法相似llSl/式中, 磁導率的相對變化； l 在機械力的作用下鐵磁物質(zhì)的相對變形上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十二頁，共71頁53工業(yè)純鐵的和l的關系 上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十三頁，共71頁54壓磁應力靈敏度 單位機械應力, 所引起的

20、磁導率相對變化 /S壓磁傳感器: 用來測量壓力、拉力、彎矩、扭轉(zhuǎn)力(或力矩) eZRPm或變換鏈 上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十四頁，共71頁55傳感器的形式1用一個方向磁導率的變化的傳感器2 用兩個方向上磁導率的改變3 維捷曼效應上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十五頁，共71頁56用一個方向磁導率的變化用一個方向磁導率的變化上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十六頁，共71頁57(a) (b) : 測量壓力P用的傳感器 與電感傳感器相似，它通過改變磁導率來達到電感值的改變。 PKKL21式中, L傳感器的電感； K1 K2與激磁電流大小有關的系數(shù)， 在一定條件下可認為是近似的常數(shù)。 上

21、一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十七頁，共71頁58(e)(d) : 與互感形傳感器相似 Pu)P(KWWE1122式中, E2 傳感器輸出感生電勢； u1 原端勵磁電壓； W1，W2 一次和二次繞組的匝數(shù)； K(P) 系數(shù)，它與激磁電流頻率及幅值有關 同時也與被測力P有關 上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第五十八頁，共71頁59(c): 壓磁應變片 在日字形鐵芯凸起在外的中間鐵舌上繞上繞組，使用時將它粘在被測應變的工件表面，使其整體與被測工件同時發(fā)生變形，從而引起鐵芯中磁導率改變、導致電感值改變。 這種結(jié)構也可在鐵舌上繞兩個繞組做成變壓器形傳感器，常稱為互感型壓磁應變片。上一頁下一頁返 回現(xiàn)在

22、學習的是第五十九頁，共71頁602 用兩個方向上磁導率的改變用兩個方向上磁導率的改變（a）傳感器結(jié)構（b）傳感器在沒受外力 E2=0 （c）傳感器受拉力 E20（d）傳感器受壓力 E20 相位與受拉力相差180常用來測量幾萬牛頓的壓力，耐過載能力強，線性度3%-5%。上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第六十頁，共71頁613 維捷曼效應維捷曼效應在卷捻棒狀鐵磁物質(zhì)時，在其上將出現(xiàn)一個按著螺旋形分布的區(qū)域，在這個區(qū)域中磁導率沿螺旋方向增加 。（a）逆“維捷曼”效應:在一根旋轉(zhuǎn)的鐵磁軸中若流有電流，則在軸中不僅有環(huán)形磁通，還有軸向磁通存在。(b)順“維捷曼”效應:帶有電流的鐵磁軸放在磁場中，則此軸將出現(xiàn)扭曲變形（稱為）。上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第六十一頁，共71頁62維捷曼效應測量非電量的原理 （a）（）（b）是用來測量轉(zhuǎn)矩）是用來測量轉(zhuǎn)矩M圖（圖（c）是用來測量氣體壓力的）是用來測量氣體壓力的 上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第六十二頁，共71頁63圖（b）將激磁電壓加在軸上當轉(zhuǎn)矩M 0，產(chǎn)生的電勢 MRlBfBEssm2244. 412422MRBss當 時，上式有效。 上一頁下一頁返 回現(xiàn)在學習的是第六十三頁，共71頁64參數(shù)選取的基本原則 鐵芯尺寸主要由選用材料允許應力的限制。而磁場強度主要是影響傳感器的靈敏度。 Z/Z關系曲線 和Z/Z