傳感器原理 壓電式傳感器

傳感器原理壓電式傳感器第一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/131§8.1壓電效應順壓電效應：某些電介質，在受到一定方向的外力作用而變形時，內部產生極化現(xiàn)象，而在其表面產生電荷，當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機械能轉換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應，又稱為壓電效應。逆壓電效應：當在電介質極化方向施加電場時，電介質在一定方向上產生機械變形，內部出現(xiàn)機械應力，這種將電能轉換成機械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應”,又稱為電致伸縮效應--驅動器。FF極化面Q壓電介質機械能｛電能｝正壓電效應逆壓電效應壓電效應及可逆性第二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/132壓電傳感器的特點

1）磁電式速度傳感器響應頻率范圍窄；2）磁電式機械運動部件容易損壞；3）磁電式傳感器質量大，造成系統(tǒng)附加質量大。與磁電式傳感器的比較：力敏感傳感器，可測力、壓力、加速度等雙向有源傳感器體積小、重量輕結構簡單、工作可靠頻帶寬第三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/133

各種小巧的壓力傳感器

壓電傳感器的外形

壓力變送器部件

壓力變送器

第四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/134一、石英晶體（SiO2)的壓電效應特點：石英晶體是各向異性晶體晶體分右（左）旋外形規(guī)則xyz第五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/135石英晶體的三個晶軸光學軸（基準軸，Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應，光學方法確定。電軸（X軸）：經過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應最強。機械軸（Y軸）：垂直于XZ面，在電場作用下，該軸方向的機械變形最明顯。第六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/136石英晶體壓電效應機理電偶極矩P=qL,q為電荷量,L為正負電荷之間距離。2O2-Si4+L第七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/137+++---XYP1P2P3當石英晶體未受外力作用時,正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。此時正負電荷重心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶體表面不產生電荷,即呈中性。第八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/138受到X方向的力—縱向壓電效應+++---XYP1P2P3晶體沿x方向將產生壓縮變形,正負離子的相對位置也隨之變動。此時正負電荷重心不再重合。電偶極矩在x方向上的分量由于P3的減小和P1、P2的增加而不等于零,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷。當作用力方向相反時,電荷的極性也隨之改變。第九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/139受到Y方向的力—橫向壓電效應+++---XYP1P2P3當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,P3增大,P1、P2減小。在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷,它的極性為：x軸正向為負。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當作用力方向相反時,電荷的極性也隨之改變。第十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1310受到Z方向的力—沒有壓電效應產生+++---XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力,因為晶體在x方向和y方向所產生的形變完全相同,所以正負電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力,晶體不會產生壓電效應。第十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1311受到三向等壓力—沒有壓電效應產生+++---XYP1P2P3如果沿x、y、z軸方向施加相同的作用力,只有體積變化，沒有形變，正負電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零，晶體不會產生壓電效應，即沒有體積變形的壓電效應。第十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1312二、壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應被相互抵消,壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質。第十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1313壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發(fā)生轉動,趨向于按外電場方向的排列,從而使材料得到極化。外電場愈強,就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時,外電場去掉后,電疇的極化方向變化不大,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性。極化方向即外加電場方向，取為Z軸方向。E第十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1314壓電效應演示第十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1315三、壓電常數(shù)和表面電荷計算1、壓電效應的表達式：σj:j方向的應力dij:j方向的力使得i面產生電荷的壓電常數(shù)ij:j方向的力在i面產生的電荷密度電荷量：面積第十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1316x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在i面上產生電荷。1、2、3分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的單向正應力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應力X0°切型石英晶體切片的力——電分布xz3(

1)

2

1465(3)(2)(1)(3)(2)ij=dijj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y第十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1317壓電特性的矩陣表示矩陣的重要性第十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1318關于壓電特性矩陣的說明：表示壓電元件的能量轉換方式dij的大小表示壓電效應的強弱若矩陣中某一dij=0,則表示在j方向上的應力在i方向上沒有壓電效應是選擇轉換元件、確定壓電效應產生方向、轉換效率的重要依據(jù)設計思考：測量什么？如何測量？第十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1319壓電效應能量轉換的幾種基本形式厚度拉（壓）型長度拉（壓）型第二十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1320厚度切變型厚度切變型三力相等：壓電陶瓷受壓變體積型第二十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1321正壓電效應與剪切壓電效應比較第二十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13222、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計算㈠在x面上產生電荷：⑴在1作用下，產生厚度變形（縱向壓電效應）第二十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1323⑵在2作用下，產生長度變形（橫向壓電效應）由石英晶體的對稱性：第二十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1324⑶在3作用下，沒有壓電效應⑷實驗研究，在剪切應力4、

5、

6作用下：第二十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1325在x面上產生電荷：第二十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1326㈡實驗研究，在y面上產生電荷其它方向的壓電系數(shù)為：正應力：剪切應力：㈢在Z面上產生電荷第二十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1327石英晶體的壓電方程第二十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1328第二十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1329石英晶體的基本變形形式厚度受力變形（d11)長度受力變形（d12)xyz11+-zxy22+-第三十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1330面剪切變形(d14)xyz+-4面剪切變形(d25)yxz+-5第三十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1331厚度剪切變形(d26)yxz6+-第三十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13323、壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面

電荷計算zxy123z:極化方向；x、y可以互換。第三十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13331）在1、2、3作用下，z面產生電荷(d31≠0,d32≠0,d33≠0）xyz123可以互換方向：x(或1)和y（或2）；推論：x、y方向的剪應力可以互換，即數(shù)字4、5。第三十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13342）在4作用下，在y面產生電荷(d24≠0）——厚度切變型yz4第三十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13353）在T5作用下，在x面產生電荷(d15≠0）——厚度切變xz5第三十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1336壓電陶瓷壓電方程第三十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1337第三十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1338壓電陶瓷變形形式：厚度變形：d33長度變形：d31、d32厚度剪切變形：d24、d15體積變形：d31、d32、d33第三十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1339練習例1、已知石英晶體的壓電系數(shù)矩陣如下所示，當晶體受到機械應力作用時，有哪幾種變形方式具有力—電能量轉換的作用（即具有壓電效應）？

d11d120d1400dij=

0000d25d26000000壓電陶瓷第四十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1340§8.2壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高分子壓電材料壓電材料：明顯呈現(xiàn)壓電效應的敏感功能材料。性能要求：大壓電系數(shù)、剛度、電阻率和介電系數(shù)、機械強度高、居里點高等。常用壓電材料：第四十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1341一、壓電晶體1、石英晶體的幾何切型：在晶體坐標中取某一方位的切割.切族分類X切族:原始位置：厚度方向平行于x軸，長度方向平行于y軸，寬度方向平行于z軸。Y切族:原始位置：厚度方向平行于y軸，長度方向平行于x軸，寬度方向平行于z軸。石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、鱗酸銨、硫酸鋰等.第四十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1342X切族X切族的IRE表示方法：xyY切族的IRE表示方法：yx第四十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1343幾何切型的表示方法：切型代號：表示原始方位晶片旋轉角：從x或y的正端看，逆時針為+，順時針為-旋轉軸例如：（xytl)+50/(-500)第四十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1344石英晶體的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx習慣表示習慣表示第四十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1345例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’35015’xyzy’z’35015’第四十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1346例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：zyxxyz50zyx500繞厚度軸轉繞長度軸轉第四十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13472、石英晶體的主要性能不需要人工極化沒有熱釋電效應介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點溫度高：5730C居里點：壓電材料開始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機械強度高第四十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1348二、壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）：1）最早使用；2）由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N，是石英的幾十倍；4）工作溫度最高只有80℃,溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。鈮酸鋰（LiNbO3)單晶：1）多疇結構，需要極化處理；2）壓電常數(shù)達80PC/N;3)工作溫度760℃。第四十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1349壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）：(有4、5、8等多種系列）1）目前普遍使用；2）是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成；3）d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作溫度250℃。性能遠優(yōu)于鈦酸鋇。第五十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1350三、聚偏二氟乙烯（PVF2)有機高分子半晶態(tài)聚合物，定向拉伸后，由晶型轉化為晶型，此時有壓電效應；壓電常數(shù)在拉伸長度方向最大，d31=20PC/N,垂直于長度方向的壓電常數(shù)d320.2d31;頻響范圍寬，10-5Hz~500MHz;柔軟，加工性能好；聲阻抗與水、人體肌肉接近；熱穩(wěn)定性好。第五十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1351常用壓電材料的性能參數(shù)比較如果環(huán)境溫度高，宜選擇何種材料？如果溫度環(huán)境好，靈敏度要求較高呢？第五十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1352§8.3等效電路和測量電路晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板,極板間物質等效于一種介質,則其電容量為：力電荷電容器電荷發(fā)生器A——壓電片的面積;d——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對介電常數(shù)。第五十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1353電荷等效電路電壓等效電路第五十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1354考慮實際使用的等效電路－實際使用時與測量儀器或測量電路相連接,因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,壓電傳感器的泄漏電阻Ra，和放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci。Ci第五十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1355壓電傳感器的特點以及對信號處理電路的要求：特點：有源傳感器高阻抗傳感器小功率要求：阻抗變換信號放大第五十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1356測量電路壓電傳感器的內阻抗很高,而輸出能量較小高輸入阻抗的前置放大器1）把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗;2）放大傳感器輸出的微弱信號。輸出形式：電壓信號、電荷信號作用要求第五十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1357前置放大器兩種形式:電壓放大器和電荷

放大器。一、電壓放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin第五十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1358KUaCaRC以壓電陶瓷為壓電材料(縱向壓電效應）：厚度方向第五十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1359前置放大器輸入電壓幅值為：第六十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1360輸入電壓與作用力之間的相位差為：理想情況下（輸入電阻Ri＝、且無漏電：Ra＝）R=Ri||Ra=,放大器輸入電壓幅值為：頻率特性第六十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1361令：φωτ00901.0UinmUam0.51234從幅度-頻率曲線能得到什么結論？第六十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1362討論：ω=0時（靜態(tài)），Uinm/Uam=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測量靜態(tài)量。>3（動態(tài)），Uinm/Uam≈1，接近理想特性。一定頻率范圍，輸入電壓與作用力頻率無關。τ一定，ω越高，響應越好。對低頻：τ一定，ω↓誤差加大。要求τ要大，擴大低頻響應范圍。輸出電壓靈敏度受到電纜分布電容影響。第六十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1363改善低頻特性的措施：靈敏度：低頻特性和靈敏度要求矛盾第六十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1364采取措施：提高絕緣電阻，根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器的輸入電阻Ri。討論：電路簡單、可靠、元件少、價格低;電纜長度有限（1.2m),不能更換。電壓放大器電路特點：不能靠增加電容改善低頻特性。第六十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1365二、電荷放大器具有深度電容負反饋的高增益運算放大器KUscCfqa第六十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1366RfkUscCfCiCcCaq當開環(huán)增益、輸入電阻和反饋電阻相當大，Cf折算到輸入端后的輸入電容為：開環(huán)增益第六十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1367Conclusions:輸出與電纜電容無關電纜可長達1km；可更換。Rf提供直流負反饋減小零漂、提高穩(wěn)定度?？蓽y準靜態(tài)量：τ=RfCf大，可測很低頻率的信號。第六十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1368例題：已知電荷放大器的反饋電容Cf＝50pf，輸入電容Ci＝0，反饋電阻Rf＝1M，電纜電容Cc＝300pf，壓電片的Ca＝100pf,Ra＝,放大器的開環(huán)增益K＝104，求將放大器理想化后引起的誤差？解：理想情況下，實際誤差：第六十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1369基座壓縮型壓電加速度傳感器§8.4壓電式傳感器§8.4.1壓電加速度傳感器殼體彈簧質量塊壓電片壓電片第七十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1370一、工作原理壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測量時傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用石英晶體等的壓電效應，當傳感器受振時，質量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。第七十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1371第七十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1372[質量塊的絕對位移x2，激勵為x1，質量塊相對位移xt]二、頻響特性－受力分析第七十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1373傳遞函數(shù)xt-質量塊相對于傳感器殼體的位移a0-被測物體的振動加速度ω-振動體振動角頻率ω0-傳感器固有角頻率ξ-阻尼比第七十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1374頻響特性：在壓電元件的線彈性工作范圍內，有：作用在壓電元件上的力相對位移第七十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1375作用在厚度拉壓型壓電陶瓷上的力第七十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1376當ω/ω0相當小時，有：第七十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1377頻率比ω/ω0相對靈敏度00.11.04.01.00.12.0幅頻響應曲線(歸一化曲線）＝10520.7070.50.2第七十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1378仿真結果：第七十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1379討論：當ω<<ω0時，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)由于壓電式傳感器的變形很?。▌偠萲很大），所以壓電式加速度傳感器的ω0很大（頻帶較寬）（一般可達幾十千赫），所以頻響范圍寬、高頻響應好。測量上限不能取固有頻率，實際工作頻段取為（1/5）ω0左右。低頻響應取決于測量回路，測量回路的時間常數(shù)越大，低頻響應越好。第八十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1380壓電元件的組合方式第八十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1381串聯(lián);電荷相等電壓相加電容減小并聯(lián)：電壓相等電荷相加電容相加第八十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1382三、壓電加速度傳感器常用結構1、壓縮型質量塊外殼壓電元件基座第八十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1383特點：基于厚度變形,結構簡單；固有頻率較高；靈敏度高（d11、d33大）；對環(huán)境影響（基座變形、應變、溫度變化、噪聲）比較敏感。第八十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1384壓電傳感器測量振動的動畫演示第八十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13852、剪切型環(huán)型剪切（壓電元件為柱裝圓環(huán)）外殼質量塊壓電陶瓷元件中心柱基座膠接第八十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1386xyz44Z極化方向xy55壓電陶瓷第八十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1387三角剪切型預緊環(huán)壓電元件質量塊三角中心柱特點：不用膠接，溫度范圍寬，線性度高。第八十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1388H剪切型1）結構簡單，中心左右對稱；2）壓電元件采用多片疊合，提高輸出電荷、電容；3）可以抑制應變、熱感應誤差，低頻好，0.1Hz.特點：壓電元件質量塊緊固螺栓螺帽第八十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1389剪切型總的特點：受環(huán)境影響小橫向靈敏度小尺寸小、重量輕靈敏度高頻響高第九十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1390(a)中心安裝壓縮型

(b)環(huán)形剪切型

(c)三角剪切型壓縮型：壓電元件—質量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，結構共振頻率高。基座B與測試對象連接時，如果基座B有變形則將直接影響輸出。此外，測試對象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。環(huán)形剪切型：結構簡單，小型化、高共振頻率，環(huán)形質量塊粘貼到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。三角剪切形：壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計感受軸向振動時，壓電元件承受切應力。結構對底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。結

構

比

較第九十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1391產品外形。壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起。第九十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13923、三向加速度傳感器第一組：壓縮型第二組：剪切型第三組：剪切型預緊筒壓電元件方法：利用三組石英壓電元件,共用質量塊第九十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1393思考1：如何實現(xiàn)三個壓電片值只對一個方向敏感？思考2：分析d25的影響。(面內剪切）FXFZFYyx切型xy切型yx切型d26d26d11答：依靠慣性質量塊和合理的壓電切型。第九十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1394第九十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1395用于振動

分析

振動分析部分工具：加速度計、力傳感器

第九十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1396HP振動分析系統(tǒng)組成第九十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1397§8.4.2壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器用途舉例：機床動態(tài)切削力測量等。壓電常數(shù)：d11。石英晶體F特點：體積小，重量輕（10g），固有頻率高（50KHz），分辨力高：10－3N。第九十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13982、雙向力傳感器zyxT6T6測量FZ的石英測量FX的石英下面的石英：d11,xy切型；上面的石英：d26,yx切型；第九十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1399雙向力傳感器俯視圖第一百頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/131003、三向力傳感器FXFZFY第一百零一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13101三向力傳感器外形和內部結構加載位置第一百零二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13102“y”測量電路改為“3”第一百零三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13103二、壓力傳感器

膜片式壓電壓力傳感器后座墊圈外殼石英晶片導電片傳力塊膜片石英晶片P第一百零四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13104預緊筒加載壓力傳感器芯體絕緣套外殼晶片組電極預緊筒膜片預緊方法：擰緊芯體。問題：膜片產生彎曲變形。解決方法：采用預緊筒；先預緊，后焊接膜片。第一百零五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13105F1：石英晶片上受到的力F2：預緊筒圓周受到的力晶片組加載板殼體FFF1F2第一百零六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13106k1：石英晶片組的剛度k2：預緊筒的剛度設計要求：k2<<k1。優(yōu)點：1）線性度好；2）利用水冷方式提高工作溫度。第一百零七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13107第一百零八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13108三、壓力傳感器的加速度補償補償方法1：減小慣性質量補償方法2：加補償石英片補償晶片附加質量塊測壓晶片組原因：由于加速度的作用，壓電元件上受到與總質量成正比的慣性力的作用而產生電荷輸出，與壓力信號混疊，造成測量誤差。第一百零九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13109補償方法3：雙膜片預加載（作用力相反）加速度補償上膜片預加載F1下膜片預加載F2上膜片的撓度變化為；下膜片的撓度變化為；設振動位移為，方向朝上。石英晶體的厚度沒有變化。第一百一十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13110石英晶體的上表面作用力為：石英晶體的上表面作用力為：綜合效果：不產生電荷。對靈敏度的影響：由于兩個膜片對外力P相當于并聯(lián)，所以每個膜片實際受力為P/2，所以靈敏度下降為原來的1/2。第一百一十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13111例2：已知一壓電式加速度傳感器的電壓放大器的總電容C=1000pf，總電阻R=500MΩ，傳感器的固有頻率為f0=30KHz,阻尼比=0.5,求幅值誤差在2%以內的使用頻率。如何改善其低頻響應性能？為什么壓電式傳感器不能測量絕對靜態(tài)量？解：第一百一十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13112改善其低頻響應性能方法：提高絕緣電阻和放大器的輸入電阻；或改用電荷放大器；得到：不能測量靜態(tài)量的原因：電荷通過并聯(lián)電阻泄漏。第一百一十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13113§8.5誤差分析一、環(huán)境溫度的影響溫度T改變壓電常數(shù)d、介電常數(shù)、體電阻R、彈性模量E的變化。第一百一十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13114熱釋電效應的影響熱釋電效應：晶體材料在溫度變化時釋放電荷的現(xiàn)象.對多晶壓電陶瓷，溫度變化→產生電荷特點：低頻，<1Hz;解決方法：電路的截止頻率>2Hz;第一百一十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13115瞬變溫度的影響溫度梯度→熱應力→熱輸出防止措施：①采用剪切型：壓電片與殼體隔離、中心柱與基座隔離；②冷卻：注入循環(huán)水質量塊壓電陶瓷元件第一百一十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13116③采用隔熱片：膜片與壓電元件之間放置非極化鋯鈦酸鉛陶瓷等導熱率小的隔熱墊片；第一百一十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13117④采用溫度補償片：在膜片與壓電片之間放置溫度補償片，其溫度膨脹補償殼體變形引起的預緊力的變化（如溫度升高，殼體變長，預緊力減??；補償晶片變長，增加預緊力。）第一百一十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13118二、環(huán)境濕度的影響絕緣電阻（泄漏電阻）↓→τ↓→低頻響應變壞三、橫向靈敏度KyKx最大橫向靈敏度主軸靈敏度最大靈敏度θφ現(xiàn)象：傳感器最大靈敏度方向與主軸不重合。原因：切片方向、極化方向（壓電陶瓷）、表面粗糙度、兩個平面的平行度和安裝等。第一百一十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/131190306090120150180210240270300330最大橫向靈敏度方向橫向靈敏度與加速度方向的關系理想橫向加速度方向第一百二十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13120測試橫向靈敏度示意圖選擇最小橫向靈敏度方向第一百二十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13121四、基座應變影響現(xiàn)象：安裝部位由于被測構件的作用而產生變形。金屬屏蔽層絕緣層芯線五、電纜噪聲特點：基座應變對剪切型比對壓縮型的影響小。解決方法：固定電纜第一百二十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13122六、接地回路噪聲電路一點接地準則：

通常把大地看成等電位體，實際上大地各處的電位是不同的。如果一個測量系統(tǒng)在二點接地，則由于這兩點之間的地電位差而引起干擾，這時采用“一點接地”就可以有效削弱這些干擾。對于一個測量電路而言只能是“一點接地”。第一百二十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13123本章要點壓電傳感器的工作原理:壓電效應石英晶體三晶軸：光學軸（z）、機械軸（y）、電軸（x）壓電方程變形形式：厚度變形（d11）長度變形（d12）、厚度剪切變形（d14、d25）、面剪切變形（d26）切型：X切、Y切壓電陶瓷極化壓電方程變形形式：厚度變形（d33）、長度變形（d31、d32）、厚度剪切變形（d24、d15）、體積變形（d31、d32、d33）第一百二十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13124壓電傳感器的測量電路等效電路：電荷發(fā)生器、電壓源電壓放大器：不能測靜態(tài)量，如何改善低頻響應電荷放大器：輸出與電纜電容無關，可測準靜態(tài)量壓電傳感器加速度傳感器：壓縮式：頻響特性、結構組成形式及其特點。剪切式：結構組成形式及其特點。力傳感器壓力傳感器應用第一百二十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13125壓電傳感器的特點:力敏感傳感器、雙向有源傳感器、體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠、頻帶寬高阻抗傳感器、小功率。需要阻抗變換和信號放大存在橫向靈敏度問題第一百二十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13126作業(yè)8-2、8-5

第一百二十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13127練習2、已知石英晶體的壓電系數(shù)矩陣如下所示，當