压电式力传感器.ppt

石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 当晶体在Y轴方向力FY作用时： 当FY＞0时，晶体的形变与在X轴方向力FX＜0 相似； 当FY＜0时，则与在X轴方向力FX ＞ 0 相似。 可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 如果沿Z轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 表明：沿Z（即光轴）方向加作用力FZ晶体不产生压电效应。 压电效应结论 ①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系； ②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。） 压磁式传感器 基本原理 传感器的形式 参数选取的基本原则 压磁传感器的误差 基本原理 压磁效应: 某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变。 磁致伸缩: 某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。 磁致伸缩 正磁致伸缩: 当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低； 负磁致伸缩: 某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而在与作用力相垂直的方向上磁导率增高 只有在一定条件下(如磁场强度恒定)压磁效应才有单值特性，但不是线性关系． 铁磁材料的压磁应变灵敏度 表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似 压磁应力灵敏度 单位机械应力, 所引起的磁导率相对变化 传感器的形式 1．用一个方向磁导率的变化的传感器 2． 用两个方向上磁导率的改变 3． 维捷曼效应 １．用一个方向磁导率的变化 (a) (b) : 测量压力P用的传感器 与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达到电感值的改变。 (e)(d) : 与互感形传感器相似 (c): 压磁应变片 在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。 这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。 2． 用两个方向上磁导率的改变 3． 维捷曼效应 在卷捻棒状铁磁物质时，在其上将出现一个按着螺旋形分布的区域，在这个区域中磁导率沿螺旋方向增加 。 （a）逆“维捷曼”效应: 在一根旋转的铁磁轴中若流有电流，则在轴中不仅有环形磁通，还有轴向磁通存在。 (b)顺“维捷曼”效应: 带有电流的铁磁轴放在磁场中，则此轴将出现扭曲变形（称为）。 维捷曼效应测量非电量的原理 图（b）将激磁电压加在轴上 当转矩M ≠0，产生的电势 参数选取的基本原则 铁芯尺寸主要由选用材料允许应力的限制。 而磁场强度主要是影响传感器的灵敏度。 表 1 压磁传感器的误差 1．磁滞误差 2．线性误差 3. 老 化 4．温度误差 1． 磁滞误差 由铁磁材料的磁滞特性造成的， 误差的特点： 动态测量时小（1%）,静态测量大约在4%。此误差的大小还与磁场强度有关 ２． 线性误差 测量中要经过多次变化才能完成，而这些变换均为非线性变换，因此这种传感器有较大的非线性。 减少非线性: 牺牲灵敏度的方法 使B（或是说H值不在最佳点上）选取在磁化曲线的线性段中，可对传感器加初始预应力，使其工作在线性段内， ３.老化 随着时间流逝，传感器的磁导率会发生变化，内应力要改变，导致传感器灵敏度不稳定，造成的误差约在0.5%（实芯传感器）——2%（叠片式）。 ４．温度误差 环境温度改变会引起线圈直流电阻值改变、磁导率改变、磁致伸缩效应改变等等，因而造成温度误差。 μ－△Z/Z关系曲线 μ和△Z/Z的最大值均出现在H值 很相近的位置上，因此传感器的 设计磁场强度可近似的取在图