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1、第6章壓電式傳感器,主要內(nèi)容,6.1 工作原理 6.2 壓電式傳感器測(cè)量電路 6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用,6.1.1 壓電效應(yīng),(正)壓電效應(yīng):是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時(shí),其內(nèi)部將產(chǎn)生極化而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。在外力去除后又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài),是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?逆壓電效應(yīng)(電致伸縮):當(dāng)在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上加交流電壓,將導(dǎo)致壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)(在電極方向上產(chǎn)生伸縮變形) 可見(jiàn):壓電效應(yīng)具有可逆性 特點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕; 工作頻帶寬;靈敏度高;信噪比高; 工作可靠;測(cè)量范圍廣等。 用途: 主要用于與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試,如動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等

2、,它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。,6.1.2 壓電材料,X軸向受力: Y軸向受力: Z軸向受力: 無(wú),石英晶體(單晶體),現(xiàn)象:,機(jī)理:,機(jī)理:,壓電陶瓷(多晶體),壓電機(jī)理: 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)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(chǎng)。 在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),電疇在晶體中雜亂分布,它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。 在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí),電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),趨向于按外電場(chǎng)方向的排列,從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng), 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電

3、場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí),當(dāng)外電場(chǎng)去掉后,電疇的極化方向基本變化,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時(shí)的材料才具有壓電特性。,具有剩余極化的壓電陶瓷材料受到外力作用時(shí),將在垂直于極化方向的平面上出現(xiàn)電荷集聚的變化,產(chǎn)生由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿恼龎弘娦?yīng)。 集聚的電荷量的大小與外力成正比關(guān)系:,式中: d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù); F作用力。,壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān),它的參數(shù)也隨時(shí)間變化, 從而使其壓電特性減弱。 ,壓電高分子材料,目前已

4、發(fā)現(xiàn)的壓電系數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯,其壓電效應(yīng)可采用類(lèi)似鐵電體的機(jī)理來(lái)解釋。這種聚合物中碳原子的個(gè)數(shù)為奇數(shù),經(jīng)過(guò)機(jī)械滾壓和拉伸制作成薄膜之后,帶負(fù)電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對(duì)應(yīng)上下兩邊上,形成微晶偶極矩結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的外電場(chǎng)和溫度聯(lián)合作用后,晶體內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向,形成垂直于薄膜平面的碳氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時(shí)的剩余極化的變化,引起了壓電效應(yīng)。,壓電材料的特性參數(shù),壓電系數(shù):衡量壓電效應(yīng)強(qiáng)弱(靈敏度) 彈性系數(shù):決定固有角頻率(動(dòng)態(tài)特性) 介電常數(shù):影響固有電容(頻率下限) 機(jī)電耦合系數(shù):用于衡量能量轉(zhuǎn)

5、換效率 電阻:減少電荷泄漏(改善壓電式傳感器的低頻特性) 居里點(diǎn):開(kāi)始失去壓電特性的溫度,壓電材料的選取,選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮: 轉(zhuǎn)換性能:高耦合系數(shù)、大壓電系數(shù) 機(jī)械性能:機(jī)械強(qiáng)度高 電性能:高電阻率、大介電常數(shù),減弱外部分布電容的影響 溫度、濕度穩(wěn)定性好:寬的溫濕度工作范圍 時(shí)間穩(wěn)定性:壓電特性不隨時(shí)間褪化,比較石英晶體、鈦酸鋇、PZT系,石英是較好的單晶體類(lèi)壓電材料,除了壓電系數(shù)不大外,其他特性都具有顯著優(yōu)越性:居里點(diǎn)573,壓電系數(shù)的溫度系數(shù)小,彈性系數(shù)較大,機(jī)械強(qiáng)度高。主要用于測(cè)量大量值的力或加速度或作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用 鈦酸鋇(BaTiO3):

6、較好的多晶體陶瓷類(lèi)壓電材料,突出的特點(diǎn):壓電系數(shù)比石英大幾十倍,但居里點(diǎn)溫度在120左右,使用溫度不超過(guò)70,溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。較其他壓電陶瓷更容易極化。 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛(PZT)系列, 它是鈦酸鉛(PbTiO2)和鋯酸鉛(PbZrO3)組成的(Pb(ZrTi)O3)。居里點(diǎn)在300左右,工作溫度較高,性能穩(wěn)定,有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。但較難極化。,6.2壓電式傳感器的等效電路,壓電式傳感器的測(cè)量電路,壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高(1010歐以上),輸出能量小,常在測(cè)量電路中加一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器,作用: (1)把高輸入阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗(小于1

7、00歐);(2)對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。,電荷放大器,結(jié)論:(1)放大器輸入阻抗極高,輸入端幾乎沒(méi)有分流,電荷只對(duì)反饋電容充電,充電電壓接近于放大器的輸出電壓; (2)電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān),與電荷量成正比,電荷量與被測(cè)壓力成線性關(guān)系,因此,輸出電壓與被測(cè)壓力成線性關(guān)系。,電壓放大器,幅值: 輸入電壓與作用力間的相位差: 理想情況:Ra和Ri都為無(wú)窮大,故R為無(wú)窮大,有:,即理想情況下,前置放大器輸入電壓與頻率無(wú)關(guān)。,為了擴(kuò)展頻帶的低頻段,要提高回路的時(shí)間常數(shù)R(Ca+Cc+Ci),如果只增加電容量,會(huì)降低靈敏度S,故常采用Ri很大的前置放大器。,可見(jiàn),w/w13時(shí),Uim

8、與w無(wú)關(guān),即傳感器的高頻特性好。但w=0時(shí),前置放大器的輸入電壓為0,即電荷通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器漏電阻漏掉,故不能測(cè)靜態(tài)力。(交變力可以使電荷不斷得到補(bǔ)充以供給測(cè)量電路),6.2.3壓電元件的連接與變形,壓電元件的連接,單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微,為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度, 在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片(或兩片以上)同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。 從作用力看,元件是串接的,因而每片受到的作用力相同,產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。 圖a)從電路上看,這是并聯(lián)接法, 類(lèi)似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以,外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍,電容量也增加了1倍,輸出電壓與單片時(shí)相同。 圖b)從電路上看是串聯(lián)的,兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和,上、 下極板的電荷量與單片時(shí)相同,總電容量為單片的一半,輸出電壓增大了1倍。,6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用,6.3.1 壓電式力傳感器,測(cè)力范圍:050N 最小分辨率:0.01N 絕緣阻抗:21014 固有頻率:5060kHz 非線性誤差:1% 典型地:用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量,6.3.2 壓電式加速度傳感器,6.3.3 壓電式交通檢測(cè),將

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