第6章壓電式傳感器.ppt

第6章壓電式傳感器 本章學習要求 掌握壓電式傳感器的工作原理 等效電路與信號調理電路及其工程應用 2 了解聲表面波傳感器的工作原理及應用 傳感器與測試技術 第6章壓電式傳感器 6 1工作原理 6 1 1壓電效應 某些晶體材料受到外力作用時 不僅發(fā)生變形 而且內部被極化表面產生電荷 當外力去掉后 又回到原來狀態(tài) 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應 6 1 1壓電效應 2 壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料 在未進行極化處理時 不具有壓電效應 經過極化處理后 其壓電效應非常明顯 具有很高的壓電常數 未極化極化極化后 6 1 1壓電效應 6 1 2壓電常數 單位應力所產生的電荷密度稱為壓電常數 電荷密度與施加的應力成正比 即 垂直x y z軸平面產生的電荷密度 沿x y z軸方向承受的正應力 垂直x y z軸平面承受剪切應力 6 1工作原理 對于石英晶體 壓電常數矩陣為 獨立常數只有d11和d14 6 1 2壓電常數 對于鈦酸鋇壓電陶瓷 壓電常數矩陣為 獨立的壓電常數有三個 即 6 1 2壓電常數 6 3等效電路與信號調理電路 6 3 1等效電路 第6章壓電式傳感器 6 3 2信號調理電路 前置放大器 作用 阻抗變換 放大信號 1 電壓放大器 6 3等效電路與信號調理電路 當 即時 6 3 2信號調理電路 2 電荷放大器 與電纜分布電容無關 6 3 2信號調理電路 6 4壓電式傳感器的應用 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 測量時 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 質量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上 壓電元件的兩個表面就有電荷產生 其電荷量與作用力成正比 即與試件的加速度成正比 6 4壓電式傳感器的應用 3 應用舉例 沒有缺陷的橋墩為一堅固整體 相當于一個大質量塊 激勵后只有一個諧振頻率點 加速度響應曲線為單峰 若橋墩有缺陷 其力學系統(tǒng)相當于兩個或數個質量 彈簧系統(tǒng) 具有多個諧振頻率點 激勵后的加速度響應曲線將顯示出雙峰或多峰 6 4壓電式傳感器的應用 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 平時開關K置a位 電雷管處于短路保險安全狀態(tài) 彈丸發(fā)射后 開關從a處斷開與b接通 電雷管處于工作狀態(tài) 當彈丸與裝甲目標接觸時 碰撞壓力使壓電元件產生電荷 電雷管啟爆 使破甲彈上的炸藥爆炸 摧毀裝甲目標 6 4壓電式傳感器的應用 產品 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 將高頻交變電場轉換成高頻機械振動而產生超聲波 發(fā)射探頭 再利用正壓電效應將超聲振動波轉換成電信號 接收探頭 發(fā)射探頭和接收探頭結構基本相同 有時可用一個探頭完成兩種任務 6 4壓電式傳感器的應用 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間間隔t和超聲波在試件中的傳播速度c 由此可計算出被測試件的厚度 6 4壓電式傳感器的應用 2 壓電式超聲波流量計 設流體靜止時超聲波傳播的速度為c 流體的流速為v 順流方向的傳播時間為t1 逆流方向的傳播時間為t2 則 由于 則 6 4壓電式傳感器的應用 t uo 案例 超聲波探傷 測距 測物 6 4壓電式傳感器的應用 案例 倒車雷達 6 4壓電式傳感器的應用 案例 魚群探測器 6 4壓電式傳感器的應用 6 5聲表面波 SAW 傳感器 第6章壓電式傳感器 6 5 1SAW傳感器的結構類型與工作原理 SAW傳感器是一種將聲表面波技術 電子技術以及薄膜技術集合而成的新型傳感器 能將溫度 壓力 流量 磁場強度 加速度等轉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 反射柵構成諧振腔 當SAW在壓電基片上傳播時 反射柵將產生相干反射 適當設計反射柵的長度和位置 即選擇諧振腔長度 在諧振腔內形成駐波 能量被封閉在腔體內 若以某種方式從腔體內取出能量 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 當敏感膜吸附氣體分子時 會引起敏感膜密度 彈性參數 導電率 介電常數等發(fā)生變化 從而引起SAW傳播速度和延遲時間變化 導致振蕩器頻率發(fā)生變化 通過檢測頻率的變化來感知氣體濃度 6 5聲表面波傳感器 2 SAW壓力傳感器 當膜片受到壓力p作用時 中間的叉指換能器受到拉應力作用 邊緣的叉指換能器受到壓應力作用 從而導致SAW的傳播速度變化 結果使SAW振蕩器的頻率f變化 再由混頻器輸出差頻信號 6 5聲表面波傳感器 3 SAW溫度傳感器 當環(huán)境溫度變化時 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 材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂 以彈性波形式快速釋放出應變能的現(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 多數金屬的聲發(fā)射頻帶在超聲范圍內 第6章壓電式傳感器 聲發(fā)射AE AcousticEmission 技術是應用儀器檢測 分析聲發(fā)射信號并確定聲發(fā)射源的技術 利用聲發(fā)射技術可以對部件的缺陷進行判斷和預報 并作出評價 聲發(fā)射檢測診斷特點 1 聲發(fā)射技術是一種動態(tài)無損檢測技術 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 2 聲發(fā)射檢測靈敏度高 被檢對象的缺陷在形成初期就有聲發(fā)射現(xiàn)象 只要及時檢測 就可以盡早發(fā)現(xiàn)被檢對象的缺陷 6 6聲發(fā)射傳感器 案例 利用聲發(fā)射傳感器進行軸承故障診斷 6 6聲發(fā)射傳感器 案例 材料斷裂等結構監(jiān)測 6 6聲發(fā)射傳感器 小結壓電式傳感器具有工作頻帶寬 靈敏度高 信噪比高 結構簡單 工作可靠