第6章壓電式傳感器.ppt

第6章壓電式傳感器 本章學(xué)習(xí)要求 掌握壓電式傳感器的工作原理 等效電路與信號(hào)調(diào)理電路及其工程應(yīng)用 2 了解聲表面波傳感器的工作原理及應(yīng)用 傳感器與測(cè)試技術(shù) 第6章壓電式傳感器 6 1工作原理 6 1 1壓電效應(yīng) 某些晶體材料受到外力作用時(shí) 不僅發(fā)生變形 而且內(nèi)部被極化表面產(chǎn)生電荷 當(dāng)外力去掉后 又回到原來狀態(tài) 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 6 1 1壓電效應(yīng) 2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料 在未進(jìn)行極化處理時(shí) 不具有壓電效應(yīng) 經(jīng)過極化處理后 其壓電效應(yīng)非常明顯 具有很高的壓電常數(shù) 未極化極化極化后 6 1 1壓電效應(yīng) 6 1 2壓電常數(shù) 單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度稱為壓電常數(shù) 電荷密度與施加的應(yīng)力成正比 即 垂直x y z軸平面產(chǎn)生的電荷密度 沿x y z軸方向承受的正應(yīng)力 垂直x y z軸平面承受剪切應(yīng)力 6 1工作原理 對(duì)于石英晶體 壓電常數(shù)矩陣為 獨(dú)立常數(shù)只有d11和d14 6 1 2壓電常數(shù) 對(duì)于鈦酸鋇壓電陶瓷 壓電常數(shù)矩陣為 獨(dú)立的壓電常數(shù)有三個(gè) 即 6 1 2壓電常數(shù) 6 3等效電路與信號(hào)調(diào)理電路 6 3 1等效電路 第6章壓電式傳感器 6 3 2信號(hào)調(diào)理電路 前置放大器 作用 阻抗變換 放大信號(hào) 1 電壓放大器 6 3等效電路與信號(hào)調(diào)理電路 當(dāng) 即時(shí) 6 3 2信號(hào)調(diào)理電路 2 電荷放大器 與電纜分布電容無關(guān) 6 3 2信號(hào)調(diào)理電路 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 6 4 1壓電式力傳感器 6 4 2壓電式加速度傳感器 1 工作原理 測(cè)量時(shí) 通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性連接 傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng) 質(zhì)量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上 壓電元件的兩個(gè)表面就有電荷產(chǎn)生 其電荷量與作用力成正比 即與試件的加速度成正比 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 3 應(yīng)用舉例 沒有缺陷的橋墩為一堅(jiān)固整體 相當(dāng)于一個(gè)大質(zhì)量塊 激勵(lì)后只有一個(gè)諧振頻率點(diǎn) 加速度響應(yīng)曲線為單峰 若橋墩有缺陷 其力學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于兩個(gè)或數(shù)個(gè)質(zhì)量 彈簧系統(tǒng) 具有多個(gè)諧振頻率點(diǎn) 激勵(lì)后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電引信 軍用彈丸啟爆裝置 壓電元件安裝在彈丸的頭部 啟爆裝置裝在彈丸的尾部 平時(shí)開關(guān)K置a位 電雷管處于短路保險(xiǎn)安全狀態(tài) 彈丸發(fā)射后 開關(guān)從a處斷開與b接通 電雷管處于工作狀態(tài) 當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)接觸時(shí) 碰撞壓力使壓電元件產(chǎn)生電荷 電雷管啟爆 使破甲彈上的炸藥爆炸 摧毀裝甲目標(biāo) 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 產(chǎn)品 壓力傳感器 加速度傳感器 力傳感器 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 6 4 3壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器 超聲波探頭 是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng) 將高頻交變電場(chǎng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波 發(fā)射探頭 再利用正壓電效應(yīng)將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 接收探頭 發(fā)射探頭和接收探頭結(jié)構(gòu)基本相同 有時(shí)可用一個(gè)探頭完成兩種任務(wù) 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 1 壓電式超聲波厚度傳感器 在示波器上直接讀出發(fā)射與接收超聲波脈沖之間的時(shí)間間隔t和超聲波在試件中的傳播速度c 由此可計(jì)算出被測(cè)試件的厚度 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 2 壓電式超聲波流量計(jì) 設(shè)流體靜止時(shí)超聲波傳播的速度為c 流體的流速為v 順流方向的傳播時(shí)間為t1 逆流方向的傳播時(shí)間為t2 則 由于 則 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 t uo 案例 超聲波探傷 測(cè)距 測(cè)物 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 案例 倒車?yán)走_(dá) 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 案例 魚群探測(cè)器 6 4壓電式傳感器的應(yīng)用 6 5聲表面波 SAW 傳感器 第6章壓電式傳感器 6 5 1SAW傳感器的結(jié)構(gòu)類型與工作原理 SAW傳感器是一種將聲表面波技術(shù) 電子技術(shù)以及薄膜技術(shù)集合而成的新型傳感器 能將溫度 壓力 流量 磁場(chǎng)強(qiáng)度 加速度等轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩頻率的變化 2 諧振型SAW振蕩器 T1發(fā)射SAW T2接收SAW 反射柵構(gòu)成諧振腔 當(dāng)SAW在壓電基片上傳播時(shí) 反射柵將產(chǎn)生相干反射 適當(dāng)設(shè)計(jì)反射柵的長(zhǎng)度和位置 即選擇諧振腔長(zhǎng)度 在諧振腔內(nèi)形成駐波 能量被封閉在腔體內(nèi) 若以某種方式從腔體內(nèi)取出能量 就可得到單一頻率的諧振波 6 5聲表面波傳感器 6 5 2SAW傳感器的應(yīng)用 1 SAW氣體傳感器 選擇性氣體敏感膜覆蓋在SAW的傳播路徑上 當(dāng)敏感膜吸附氣體分子時(shí) 會(huì)引起敏感膜密度 彈性參數(shù) 導(dǎo)電率 介電常數(shù)等發(fā)生變化 從而引起SAW傳播速度和延遲時(shí)間變化 導(dǎo)致振蕩器頻率發(fā)生變化 通過檢測(cè)頻率的變化來感知?dú)怏w濃度 6 5聲表面波傳感器 2 SAW壓力傳感器 當(dāng)膜片受到壓力p作用時(shí) 中間的叉指換能器受到拉應(yīng)力作用 邊緣的叉指換能器受到壓應(yīng)力作用 從而導(dǎo)致SAW的傳播速度變化 結(jié)果使SAW振蕩器的頻率f變化 再由混頻器輸出差頻信號(hào) 6 5聲表面波傳感器 3 SAW溫度傳感器 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí) 改變了SAW的傳播速度 從而引起振蕩器頻率發(fā)生變化 由頻率變化量來檢測(cè)溫度的變化 6 5聲表面波傳感器 6 6聲發(fā)射傳感器 材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂 以彈性波形式快速釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱聲發(fā)射 各種材料聲發(fā)射頻率范圍很寬 從次聲 聲頻到超聲 多數(shù)金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內(nèi) 第6章壓電式傳感器 聲發(fā)射AE AcousticEmission 技術(shù)是應(yīng)用儀器檢測(cè) 分析聲發(fā)射信號(hào)并確定聲發(fā)射源的技術(shù) 利用聲發(fā)射技術(shù)可以對(duì)部件的缺陷進(jìn)行判斷和預(yù)報(bào) 并作出評(píng)價(jià) 聲發(fā)射檢測(cè)診斷特點(diǎn) 1 聲發(fā)射技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù) 能判斷發(fā)射的部位和狀態(tài) 了解缺陷的形成過程和發(fā)展趨勢(shì) 2 聲發(fā)射檢測(cè)靈敏度高 被檢對(duì)象的缺陷在形成初期就有聲發(fā)射現(xiàn)象 只要及時(shí)檢測(cè) 就可以盡早發(fā)現(xiàn)被檢對(duì)象的缺陷 6 6聲發(fā)射傳感器 案例 利用聲發(fā)射傳感器進(jìn)行軸承故障診斷 6 6聲發(fā)射傳感器 案例 材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè) 6 6聲發(fā)射傳感器 小結(jié)壓電式傳感器具有工作頻帶寬 靈敏度高 信噪比高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠