壓電式傳感器

1、1同學(xué)們好！同學(xué)們好！成都 西嶺雪山2第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)6.2壓電材料壓電材料6.3等效電路等效電路6.4測(cè)量電路測(cè)量電路6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例壓電式傳感器的應(yīng)用舉例6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析影響壓電式傳感器精度的因素分析3 當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。其電容量為：SSCra04當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間

2、就呈現(xiàn)出一定的電壓，當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為其大小為 aaCqU因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖 (b)。5壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（a a） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 CauaCaq(a)(b)6 實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容儀器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放、前置放大器的輸入電阻大器的輸入電阻Ri、輸入電容、輸入電容Ci對(duì)電路的影響對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)

3、考慮了壓電元件的絕緣電阻緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路（表示成下圖所示的電壓等效電路（a）和電荷等）和電荷等效電路（效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。）。這兩種等效電路是完全等效的。7壓電傳感器的完整等效電路 （a） 電壓源; （b） 電荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)8 利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小

4、到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。作動(dòng)態(tài)測(cè)量。9連接方式連接方式10CCUUqq22；(a) 并聯(lián)并聯(lián)11 串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。較高的信號(hào)。(b) 串聯(lián)串聯(lián)CCUUqq212；12

5、13 在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜適宜用于以電壓作輸出信號(hào)用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。阻抗很高的場(chǎng)合。 14由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，大器中，經(jīng)過阻

6、抗交換以后，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器。）15前置放大器的作用前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。號(hào)。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的的電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的即

7、傳感器的輸出輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大電荷放大器器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。16壓電傳感器接放大器的等效電路壓電傳感器接放大器的等效電路 （a a） 放大器電路放大器電路; ; （b b） 等效電路等效電路17tUtCFdCqumamaasinsin3318由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形

8、式為 )CC(RjRjFdUa33i1(6-21) Ui的幅值Uim為 .2221)CCC(RRFd)(Uicam33im輸入電壓和作用力之間相位差為輸入電壓和作用力之間相位差為 R)CCC(arctanica2(6-22) (6-23) 19 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即 (Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-22）可知，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 icam33imCCCFdU 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與無關(guān)，0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 RCCCica)(10(6-24) 20 這表明壓

9、電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0=0）時(shí)，）時(shí)， 前前置放大器的輸入電壓等于零，置放大器的輸入電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。 21 當(dāng) (Ca+Cc+Ci)R1 時(shí)，放大器輸入電壓Uim如式（6-24）所示，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意

10、更換， 否則將引入測(cè)量誤差。 22 AuoCiqCaCeCrCF23 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。輸入到放大器的電荷量為： Fiqqq24aciiioCCCKq -KUU由前圖可知)(-q0aciiCCCKUFFFiFCKUKCUKUCU0000)1 ()()U(q而FaciiFCKUKCCCKUqqqq00)1 ()( 由25ficaoCKCCCKq)1 (UFoCqU26 由上式知，電荷放大器的輸出電壓由上式知，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于只取決于輸輸

11、入電荷入電荷與與反饋電容反饋電容CF，與電纜電容，與電纜電容Cc無關(guān)，且與無關(guān)，且與q成成正比，因此，正比，因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。放大器的最大特點(diǎn)。 在實(shí)際電路中，在實(shí)際電路中，CF的容量做成的容量做成可選擇的，范圍一般為可選擇的，范圍一般為100104pF。 27電荷放大器的靈敏度為F01CqUk由上式可以看出，放大器的靈敏度取決于CF。CF越小靈敏度越高。28 壓電式傳感器壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，主

12、要主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)非線性所致。是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)非線性所致。 為此，為此， 在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。表面的間隙，提高剛度。 特別是，它只有在加預(yù)載特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。和扭矩。 29 如圖是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)

13、構(gòu)圖 6.5 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用30 傳感器傳感器上蓋為傳力元件上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為，它的外緣壁厚為0.10.5mm，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)，利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過通過d11實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)力力電轉(zhuǎn)換。電轉(zhuǎn)換。31 下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。整個(gè)

14、部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器32 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即 式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。 33與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)， 則傳感器輸出電荷為madFdq333334壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式測(cè)壓傳感器壓電式測(cè)壓傳感器35當(dāng)膜片受到壓力F作用后，在壓電晶片表面上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)

15、壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為SPdFdq1111即：壓電式壓力傳感器的輸出電荷q與輸入壓強(qiáng)P成正比。36壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖鋁頭鋁頭螺釘螺釘黃銅尾部黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短 。37 當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。38如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲

16、換能器。39壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì)壓電超聲換能器每隔一段時(shí)間(如1/100s)發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。 40壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出LA或LB。41兩者時(shí)間差為22vtLLvtLLBA又L=LA +LB ，所以 42超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置43 當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)加在壓電陶當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，壓電陶瓷片