新闻中心

传感器与检测技术胡向东第二版

发布日期:2020-08-02 16:22

  传感器与检测技术胡向东第二版_中医中药_医药卫生_专业资料。第6章 压电式传感器 ? ? 6.1 工作原理? 6.2 压电式传感器测量电路 ? 6.3 压电式传感器的应用 ? 知识单元与 知识点 ? ? ? ? 压电效应、正压电效应、逆压电效应

  第6章 压电式传感器 ? ? 6.1 工作原理? 6.2 压电式传感器测量电路 ? 6.3 压电式传感器的应用 ? 知识单元与 知识点 ? ? ? ? 压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念; 压电材料的分类及其特性; 压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路; 压电元件的连接特性; 压电式传感器的应用。 ? ? 能力点 ? ? 深入理解压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念; 理解压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路; 了解压电材料的分类及其特性; 会分析压电元件的连接特性; ? 了解压电式传感器的应用。 重难点 ? ? 重点:压电式传感器的工作原理、测量电路。 难点:压电式传感器的测量电路。 ? ? 学习要求 ? 掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义; 掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理;了解压电材料的主要 特性参数及其含义、压电材料的选取; 掌握压电式传感器的等效电路与测量电路; ? ? 掌握压电元件并联或串联特性; 了解压电式传感器的典型应用。 顺压电效应 某些电介质物质,沿某一方向受到外力作用时,会产 生变形,在其内部产生极化现象,同时在这种材料的 两个表面会产生符号相反的电荷,当外力去掉后,它 又重新恢复到不带电的状态,这种现象被称为“压电 效应”。当作用力方向改变时, 电荷极性也随之改变。 这种机械能转化为电能的现象也称为“正压电效应” 或“顺压电效应”。 ( 加力—变形—产生电荷) ? 逆压电效应 当在某些物质的极化方向上施加电场,这些材料在某一 方向上就会产生机械变形或机械应力;当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现 象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 逆压电效应 电能 正压电效应 压电效应的可逆性 机械能 压电传感器 ? ? 特点: ? 结构简单、体积小、重量轻; ? 工作频带宽;灵敏度高;信噪比高; ? 工作可靠;测量范围广等。 用途: ? 主要用于与力相关的动态参数测试,如动态 力、机械冲击、振动等,它可以把加速度、 压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。 由晶体学可知,无对称中心的晶体,通常具有压 电效应。 天然形成的石英晶体外形 石英晶体薄片 双面镀银并封装 ? ? 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它比石英晶 体的压电灵敏度高得多,而制造成本却较低,因此 目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶 瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶 瓷(PZT)及非铅系压电陶瓷 (如BaTiO3等)。 压电系数高,灵敏度较石英材料高,但工作温度低, 温度稳定性和机械强度都不如石英。 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出 来,即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负 束缚电荷。由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面 上吸附了一层来自外界 自由电荷 电极 的自由电荷。这些自由 - - - - 电荷与陶瓷片内的束缚 +++++ 极化方向 电荷符号相反而数量相 束缚电荷 - - - - 等,它屏蔽和抵消了陶 +++++ 电极 瓷片内极化强度对外界 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的 自由电荷示意图 的作用。 10 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F,陶 瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距 离变小,极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自 由电荷,而出现放电现象。 F - - - - - 当压力撤消后,陶瓷片 +++++ 恢复原状,极化强度也 极化方向 变大,因此电极上又吸 - - - - +++++ + 附一部分自由电荷而出 现充电现象。 正压电效应示意图 ——正压电效应 11 12 q Ua ? Ca 电极 Ca +++++++++ --------- Q Ca U 压电材料 (a )压电片电荷聚集 (b ) 电荷等效电路 (c ) 电压等效电路 当压电晶体承受应力作用时,在它的两个极面上出现极性 相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源 与一个电容并联的电荷发生器。 Ca ? ?S d ? ? r? 0 S d 压电式传感器本身的内阻抗很高 (1010欧以上),输出能量小,常在测量 电路中加一个高输入阻抗的前置放大器, 作用: (1)把高输入阻抗转换为低输出阻抗 (小于100欧); (2)对传感器输出的微弱信号进行放大。 电极 Ca +++++++++ --------- Q Ca U 压电材料 (a )压电片电荷聚集 (b ) 电荷等效电路 (c ) 电压等效电路 电荷放大器 q:传感器的电荷 Ce:连接电缆的等效电容 RF:反馈电阻 电荷放大器等效电路 CF:反馈电容 CF K RF q Ca Ce Ci uo K是放大器的开环增益,(-K)表示放大器的输 出与输入反相,若开环增益足够高,则放大器的输入 端的电位接近“地”电位。 15 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个 反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大 器输入阻抗极高, 放大器输入端几乎没有分流,故可 略去Ra和Ri并联电阻。 q Uo ? Ud ? ? CF 式中 : Uo——放大器输出电压; ? Ud——反馈电容两端电压。 16 . 电压放大器(阻抗变换器) Ua:传感器的电压 Re:传感器的漏电阻 Ce:连接电缆的等效电容 Ri:放大器的输入电阻 Ci:放大器的输入电容 Ca A Ca ua Re Ce Ri Ci uo ua R C ui (a ) (b) 压电传感器接放大器的等效电路 (a)放大器电路(b)等效电路 18 ?压电式传感器在与电压放大器配合使用时,连接 电缆不能太长。电缆长,电缆电容 Cc 就大,电缆 电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。 ?电压放大器与电荷放大器相比,电路简单,元件 少,价格便宜,工作可靠,但是电缆长度对传感 器测量精度的影响较大,在一定程度上限制了压 电式传感器在某些场合的应用。 19 返 回 上一页 下一页 ?将放大器装入传感器中,组成一体化传感器。 压电式加速度传感器 的压电元件是二片并联 连接的石英晶片,放大 器是一个超小型静电放 大器。这样引线非常短, 引线电容几乎等于零就 避免了长电缆对传感器 灵敏度的影响。放大器 的输入端可以得到较大 的电压信号,这样弥补 了石英晶体灵敏度低的 缺陷。 返 回 上一页 下一页 压电式加速度传感器 20 ? 压电元件的连接 粘结剂 +++ --- --- +++ +++ --- +++ --- + - + 粘结剂 (a) 同极性粘结 (b) 不同极性粘结 - 从作用力看, 元件是串接的, 因而每片受到 的作用力相同, 产生的变形和 电荷数量大小 都与单片时相 同。 图 a )从电路上看,这是并联 接法, 类似两个电容的并联。 所以,外力作用下正负电极 上的 电荷量增加了 1 倍,电容 量也增加了 1 倍,输出电压与 单片时相同。 图 b )从电路上看是串联的, 两压电片中间粘接处正负电 荷中和,上、 下极板的 电荷 量与单片时相同,总电容量 为单片的一半,输出电压增 大了1倍。 ? 6.3.1 压电式力传感器 压电元件是直接把力转换 为电荷的传感器。 变形方式:利用纵向压电 效应的方式最简便。 材料选择:决定于所测力 的量值大小,对测量误差提 出的要求、工作环境温度等 各种因素。 晶片数目:通常是使用机械串联 而电气并联的两片。晶片电气并 联两片,可以使传感器的电荷输 出灵敏度增大一倍。 壳体 弹簧 质量块 压电片 输出端 基座 螺栓 Q ? d11 f ? d11ma 将高分子压电电缆埋在公路上,可以获取车型分类信 息(包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎)、车速监测、收 费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采 集(道路监控)及机场滑行道等。 25 将两根高分子压电电缆相距若干米,平行埋设于柏油公路 的路面下约5cm,可以用来测量车速及汽车的载重量,并 根据存储在计算机内部的档案数据,判定汽车的车型。 26 ? 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上,可以感受到 玻璃破碎时会发出的振动,并将电压信号传送给集 中报警系统。 粘贴 位置 使用时,用瞬干胶将其粘贴 在玻璃上。当玻璃遭暴力打 碎的瞬间,压电薄膜感受到 剧烈振动,表面产生电荷Q , 在两个输出引脚之间产生窄 脉冲报警信号。 27 压电传感器测量双腿跳的动 态力 压电式步态分析跑台 压电式纵跳训练分析装置 28