第04章 压电式传感器.ppt

令 τ为测量回路的时间常数 即有： (4.4.7) (4.4.8) (4.4.9) * 由此得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线。 当作用在压电元件上的力是静态力（ω=0）时，则前置放大器的输入电压等于零。 当ωτ1时，即作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim随频率的变化不大。 当ωτ3时，可近似看作输入电压与作用力的频率无关。 在测量回路的时间常数一定的情况下，压电式传感器的高频响应是相当好的，是压电式传感器的一个突出优点。 图4-14电压幅值比和相角与频率关系 * 说明： 不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数， 切实可行的办法：提高测量回路的电阻。 压电传感器与前置电压放大器之间连接电缆不能随意更换， 否则将引入测量误差。 传感器的电压灵敏度 * 4.4.2 电荷放大器 图4-15 传感器接电荷放大器等效电路 图4-16 电荷放大器等效电路 Uo——放大器输出电压；  Ucf——反馈电容两端电压。 * 放大器的输出电压 当： 由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf′为 电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比。 * 电压放大器和电荷放大器比较： 电压放大器输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。 * 4.5 压电式传感器的应用 压电式传感器的特点： 能量转换型（发电型）传感器； 体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围； 灵敏度高，稳定性好，可靠； 有比较理想的线性，且通常没有滞后现象； 低频特性较差，主要用于动态测量； 应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆； 工作原理可逆。 * 压电式传感器主要应用类型 表中列给出了压电传感器的主要应用类型。目 前它们已经在工业、民用和军事方面得到广泛应用, 但其中用得最多的还是力敏类型。 * 1、压电式压力传感器 图4-17 单向压电式测力传感器 图4-18 膜片式压力传感器 引线 壳体 基座 压电晶片 受压膜片 导电片 p 如图4-17示的是YDS-78型压电式单向力传感器的结构，它主要用于频率变化不太高的动态力的测量。 * 2、压电式加速度传感器 图4-19 压缩式压电加速度传感器 压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱 上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。 * * 图4-20 压电陶瓷换能器结构图 3、压电式声传感器 当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短 。 * 当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。 * 4 、压电式流量计 图4-21 压电式流量计 流量显示 输出信号 换能器 换能器 接收 接收 发射 发射 压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。 * 5、 压电式传感器在测漏中的应用 A B O点 LA LB 地 面 L 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。 图4-22 压电式传感器应用 * 两者时间差为 Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v 又L=LA +LB ，所以 * 6、 压电声传感器在超声速测量实验中的应用 图4-23 超声速测量实验装置 信号发生器 S1 示波器 频率计 S2 l 游标卡尺 * 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。 * 由于压电陶瓷元件的自振动频率高，特别适合测 量变化剧烈