壓電式傳感器專題培訓(xùn)課件_第1頁
壓電式傳感器專題培訓(xùn)課件_第2頁
壓電式傳感器專題培訓(xùn)課件_第3頁
壓電式傳感器專題培訓(xùn)課件_第4頁
壓電式傳感器專題培訓(xùn)課件_第5頁
已閱讀5頁,還剩20頁未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷密度與外應(yīng)力張量T成正比,即

式中,d—壓電常數(shù)矩陣。壓電效應(yīng)具有可逆性,即當(dāng)對上述電介質(zhì)施加電場作用時,同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形,且其應(yīng)變量與外電場強(qiáng)度成正比。這種現(xiàn)象稱為逆壓電現(xiàn)象.或稱電致伸縮。1、原理一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)(順壓電效應(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,同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷,當(dāng)外力去掉后,又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時,電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng)):當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場,這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力,當(dāng)外加電場撤去時,這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)(一)石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體,在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示,其中縱向軸Z-Z稱為光軸;經(jīng)過正六面體棱線,并垂直于光軸的X-X軸稱為電軸;與X-X軸和Z-Z軸同時垂直的Y-Y軸(垂直于正六面體的棱面)稱為機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”,而把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”,沿光軸Z-Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

石英晶體具有壓電效應(yīng),是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影,如圖(a)。為討論方便,將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列,圖中“+”代表Si4+,“-”代表2O2-。

(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+

當(dāng)作用力FX=0時,正、負(fù)離子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六邊形頂角上,形成三個互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3,如圖(a)所示。此時正負(fù)電荷中心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力(FX<0)作用時,晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮,正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化,如圖(b)所示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合,電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0由上式看出,在X軸的正向出現(xiàn)正電荷,在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++----FX(b)FX<0+++---P1P2P3可見,當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時,它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng),而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當(dāng)FY>0時,晶體的形變與圖(b)相似;當(dāng)FY<0時,則與圖(c)相似。由此可見,晶體在Y(即機(jī)械軸)方向的力FY作用下,使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng),在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

(P1+P2+P3)X<0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++---FXFXP2P3P1+-當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力(FX>0)作用時,其變化情況如圖(c)。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷,在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。三、壓電式傳感器的測量電路(一)等效電路當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時,在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷??砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€靜電發(fā)生器,如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷,中間為絕緣體的電容器,如圖(b)。其電容量為

++++――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)壓電傳感器的等效電路當(dāng)兩極板聚集異性電荷時,則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓,其大小為因此,壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路,如圖(a);也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路,如圖(b)。qCaUaUa=q/Caq=UaCaCa(a)電壓等效電路(b)電荷等效電路壓電傳感器等效原理傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”,外電路負(fù)載無窮大時,壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存,否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測量極為不利,必然帶來誤差。事實(shí)上,傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏,外電路負(fù)載也不可能無窮大,只有外力以較高頻率不斷地作用,傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充,因此,壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見,壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng),要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013Ω以上,才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與上相適應(yīng),測試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時間常數(shù),亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗,否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏,即產(chǎn)生測量誤差。

(二)

測量電路

壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用:把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出;放大壓電式傳感器輸出的弱信號。前置放大器形式: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;電荷放大器,其輸出電壓與輸入電荷成正比。

1、電壓放大器

-A-ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua

2、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,其基本電路如圖。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,運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為:

-A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF根據(jù)上式畫出等效電路圖-A0CaRaR’C’USCU∑qCF、RF等效到A0的輸入端時,電容CF將增大(1+A0)倍。電導(dǎo)1/RF也增大了(1+A0)倍。所以圖中C?=(1+A0)CF;1/R?=(1+A0)1/RF,這就是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果。運(yùn)放輸入電壓輸出電壓四、壓電式傳感器的應(yīng)用(一)壓電式加速度傳感器(二)壓電式壓力傳感器(三)壓電式流量計(四)集成壓電式傳感器(五)壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用當(dāng)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振動,并受到與加速度方向相反的慣性力,此力F=ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運(yùn)動方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖(一)

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種??v向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型,通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載,使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。q=d33F=d33ma此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度,一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動,同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率,因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。

連接方式:圖(a)為并聯(lián)形式,片上的負(fù)極集中在中間極上,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U,極板上電荷量q?為單片電荷量q的兩倍,即圖(b)為串聯(lián)形式,正電荷集中在上極板,負(fù)電荷集中在下極板,而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)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q?等于單片電荷q,而輸出電壓U?為單片電壓U的二倍,總電容C?為單片電容C的一半,即++--(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件++-++--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。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。(二)

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(gòu)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1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P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q為F——作用于壓電片上的力;d11——壓電系數(shù);P——壓強(qiáng),;S——膜片的有效面積。123456p壓電式測壓傳感器原理圖測壓傳感器的輸入量為壓力P,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:因為,所以電壓靈敏度也可表示為

U0——壓電片輸出電壓;C0——壓電片等效電容電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度(三)

壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器,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。據(jù)這個關(guān)系,可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速,中壓和低壓氣體的流速,不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%,有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化,測量聲速隨深度的分布情況(四)集成壓電式傳感器

是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器,產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料,動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量,再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高,抗過載及沖擊能力強(qiáng),抗干擾性好,操作簡便,體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。脈搏計照片

典型應(yīng)用:·脈搏計數(shù)探測·按鍵鍵盤,觸摸鍵盤·振動、沖擊、碰撞報警·振動加速度測量·管道壓力波動·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等

力敏元件主要性能指標(biāo):壓力范圍≤1kPa靈敏度≥0.2mV/Pa非線性度≤1%F.S頻率響應(yīng)1~1000Hz標(biāo)準(zhǔn)工作電壓4.5V(DC)擴(kuò)充工作電壓3~15V(DC)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻2.2kΩ擴(kuò)充電阻1kΩ~12kΩ外形尺寸12.7×7.6重量<1.5g集成壓電傳感器連線電路輸出力敏元件地線R=2.2kΩ電源集成壓電傳感器連線電路OO(五)壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn),振動聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播,傳播速度為V,在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器,A、B距離為L(已知或可測),從A、B兩個傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA(=LA/V)和tB(=LB/V),兩者時間差為Δt=tA-tB=(LA-LB)/V(1)

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評論

0/150

提交評論