【测试技术课程设计】4-6 常用传感器-压电式.pdf
《【测试技术课程设计】4-6 常用传感器-压电式.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《【测试技术课程设计】4-6 常用传感器-压电式.pdf(32页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术4.6 压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器是一种是一种可逆型换能器可逆型换能器,既可以将机械 能转换为电能,又可以将电能转换为机械能。这种性 能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量,也被用 于超声波发射与接收装置。,既可以将机械 能转换为电能,又可以将电能转换为机械能。这种性 能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量,也被用 于超声波发射与接收装置。第4章 常用传感器在用做加速度传感器时,可测频率范围从在用做加速度传感器时,可测频率范围从0.1Hz 20kHz,可测振动加速度按其不同结构可达,可测振动加速度按其不同结构可达10-2 1
2、05 m/s2。用做测力传感器时,其灵敏度可达用做测力传感器时,其灵敏度可达10-3 N。优点优点:体积小、质量小,精确度及灵敏度高等。体积小、质量小,精确度及灵敏度高等。现在与其配套的后续仪器,如电荷放大器等技术 性能的日益提高,使这种传感器的应用愈来愈广泛。现在与其配套的后续仪器,如电荷放大器等技术 性能的日益提高,使这种传感器的应用愈来愈广泛。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术从石英晶体上切下一片平行六面体从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片晶体切片,使它 的晶面分别平行于,使它 的晶面分别平行于X、Y、Z 轴,如图。并在垂直轴,如图。并在垂直X X轴方向两 面用
3、真空镀膜或沉银法得到电极面。轴方向两 面用真空镀膜或沉银法得到电极面。ZYXbl石英晶体切片石英晶体切片h双面镀银并封装双面镀银并封装压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术1.压电效应压电效应 变换原理某些物质,如石英,变换原理某些物质,如石英,受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部会被极化,表面出现电荷,形成电场受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部会被极化,表面出现电荷,形成电场;当外力去掉时,又重新回到原来的状态,这种现象称为;当外力去掉时,又重新回到原来的状态,这种现象称为压电效应压电效应。压电效应压电效应是可逆的,即将压电晶体置于外电场
4、 中,其几何尺寸也会发生变化是可逆的,即将压电晶体置于外电场 中,其几何尺寸也会发生变化逆压电效应逆压电效应实验证明:实验证明:压电效应压电效应和和逆压电效应逆压电效应是线性的,即晶体 表面出现是线性的,即晶体 表面出现电荷的多少与形变的大小成正比电荷的多少与形变的大小成正比,当形变改 变符号时,电荷也改变符号;在外电场作用下,当形变改 变符号时,电荷也改变符号;在外电场作用下,晶体 形变的大小与电场强度成正比晶体 形变的大小与电场强度成正比,当电场反向时,形变 也改变符号。,当电场反向时,形变 也改变符号。压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术通常把沿电轴(通常把
5、沿电轴(X X 轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效 纵向压电效 应应”,把沿机械轴(”,把沿机械轴(Y Y 轴)方向的作用力产生的压电效 应称为“轴)方向的作用力产生的压电效 应称为“横向压电效应横向压电效应”,沿光轴(”,沿光轴(Z Z 轴)方向的作用 力不产生压电效应。沿相对两棱加力时,则产生轴)方向的作用 力不产生压电效应。沿相对两棱加力时,则产生切向 效应切向 效应。压电传感器主要是利用。压电传感器主要是利用纵向压电效应纵向压电效应。压电效应与方向压电效应与方向压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械
6、学院机械工程测试技术压电传感器2.压电材料常用的压电材料大致可分为三类:压电材料常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶压电单晶、压电 陶瓷压电 陶瓷和和有机压电薄膜有机压电薄膜。石英是压电单晶中最具有代表性的,应用广泛。除 天然石英外,还大量应用人造石英。石英的压电常数 不高,但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。石英是压电单晶中最具有代表性的,应用广泛。除 天然石英外,还大量应用人造石英。石英的压电常数 不高,但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术压电传感器 传感技术中最普遍应用的是压电陶
7、瓷。压电陶瓷制 作方便,成本低,压电常数比单晶体高得多,一般比 石英高数百倍。现在的压电元件多数采用压电陶瓷。传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷制 作方便,成本低,压电常数比单晶体高得多,一般比 石英高数百倍。现在的压电元件多数采用压电陶瓷。压电陶瓷外形压电陶瓷外形华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术压电传感器 高分子压电薄膜的压电特性并不很好,但它易于大 批量生产,且具有面积大、柔软不易破碎等优点,可 用于微压测量和机器人的触觉。高分子压电薄膜的压电特性并不很好,但它易于大 批量生产,且具有面积大、柔软不易破碎等优点,可 用于微压测量和机器人的触觉。华中科技大学机
8、械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术3.压电传感器及其等效电路压电传感器及其等效电路在压电晶体的两个工作面上进 行金属蒸镀,形成金属膜,构成 两个电极在压电晶体的两个工作面上进 行金属蒸镀,形成金属膜,构成 两个电极。如图所示。如图所示在压电晶体受到外力作用时,在两个极板上将聚积数量相等、极性相反的电荷,形成了电场。在压电晶体受到外力作用时,在两个极板上将聚积数量相等、极性相反的电荷,形成了电场。F+q=de F 金属板金属板因此压电传感器可看作是一个电荷发生器,又是一个电容器,因此压电传感器可看作是一个电荷发生器,又是一个电容器,0CA 其电容量为其电容量为等效电荷源等效电荷源压电传感
9、器适宜作动态测量。压电传感器适宜作动态测量。压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术实际压电传感器中,通常用两个或两个以上的压 电晶片进行并接或串接使用。实际压电传感器中,通常用两个或两个以上的压 电晶片进行并接或串接使用。压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术+并接并接+串接串接并接并接:电容量大、输出电荷量多、时间常数大,宜于测量缓变信号,适宜于以电荷量输出的场合。:电容量大、输出电荷量多、时间常数大,宜于测量缓变信号,适宜于以电荷量输出的场合。串接串接:电容量小、输出电压大,适用于以电压作为输出信号的场合。:电容量小、输出电压大,适用
10、于以电压作为输出信号的场合。压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术压电传感器是一个具有一定电容的电荷源,其开 路电压压电传感器是一个具有一定电容的电荷源,其开 路电压u0 与电荷与电荷q、传感器电容、传感器电容Ca 存在下列关系存在下列关系a0uq C 当传感器接入测量电路,连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容当传感器接入测量电路,连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容Cc,后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄露电阻,后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄露电阻R0,为了防止漏电阻造成电荷损失,通常要求,为了防止漏电阻造成电荷损失,通常要
11、求R0 1011 ,因此传感器可近似视为开路。,因此传感器可近似视为开路。压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术在外力为正弦力在外力为正弦力F0 sin t 作用 时,传感器产生的电荷为作用 时,传感器产生的电荷为0e0sinsinFtqqtd 考虑负载影响时,根据电荷平衡条 件,有考虑负载影响时,根据电荷平衡条 件,有Cdtuqi acCCC 式中式中u00sinqtCR iidt 00cosdiqtCRidt 求导求导忽略过渡过程,上式的稳态解忽略过渡过程,上式的稳态解020sin()1()qitCR 01arctanCR 压电传感器华中科技大学机械学院华中科技
12、大学机械学院机械工程测试技术电容上的电压为电容上的电压为00201sin()11qR itCCRu 上式表明上式表明:压电元件的电压输出还:压电元件的电压输出还受回路的时间 常数受回路的时间 常数 R0 C 的影响的影响。在测试动态量时,为了建立一定 的输出电压并实现不失真测量,压电传感器的。在测试动态量时,为了建立一定 的输出电压并实现不失真测量,压电传感器的测量 电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容 测量 电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容 Ci 以加大时间常数以加大时间常数 R0 C。但并联电容过大也会使输 出电压降低过多,降低了测量装置的灵敏度。但并联电容过大也会使输
13、 出电压降低过多,降低了测量装置的灵敏度。压电传感器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术4.测量电路测量电路压电传感器输出电信号很微弱,而且传感器本身 有很大内阻,故输出能量很小,这给后接电路带来一 定困难。压电传感器输出电信号很微弱,而且传感器本身 有很大内阻,故输出能量很小,这给后接电路带来一 定困难。为此,通常把传感器信号先输到高输入阻抗 的为此,通常把传感器信号先输到高输入阻抗 的前置放大器前置放大器,经过阻抗变换以后,方可用一般的放 大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。,经过阻抗变换以后,方可用一般的放 大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。前置放大器电路前
14、置放大器电路的的主要用途主要用途:将传感器的高阻抗 输出变换为低阻抗输出;将传感器的高阻抗 输出变换为低阻抗输出;放大传感器输出的微弱电 信号。放大传感器输出的微弱电 信号。压电传感器前置放大器电路前置放大器电路有有两种形式两种形式:是用电阻反馈的是用电阻反馈的电 压放大器电 压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;是带电容反馈的是带电容反馈的电荷放大器电荷放大器,其输出电 压与输入电荷成正比。,其输出电 压与输入电荷成正比。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试技术 使用使用电压放大器电压放大器时,放大器的输入电压
15、如下式所 示,由于电容时,放大器的输入电压如下式所 示,由于电容 C 包括了包括了Ca、Ci 和和 Cc,其中电缆对地 电容,其中电缆对地 电容 Cc 比比 Ca 和和 Ci 都大,故整个测量系统对电缆对 地电容都大,故整个测量系统对电缆对 地电容 Cc 的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态 变化会引起的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态 变化会引起 Cc 的变化,导致传感器输出电压的变化,导致传感器输出电压u的变 化,从而使仪器的灵敏度也发生变化。的变 化,从而使仪器的灵敏度也发生变化。压电传感器00201sin()11qR itCCRu 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院机械工程测试
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 测试技术课程设计 【测试技术课程设计】4-6 常用传感器-压电式 测试 技术 课程设计 常用 传感器 压电