传感器原理及检测技术_第5章_压电式传感器精选.ppt

* 压电元件的等效电路 压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源， * * 基本测量电路 压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少； 了解式5-11~5-18（P100~P101）； * 基本测量电路 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。 * 1）电压放大器 压电传感器的高频响应较好，通常用于高频交变力的测量。电压灵敏度为： Fm为受力； d为压电系数。 * 2）电荷放大器 并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器实际上是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路 电荷放大器原理图 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。 * 4)压电式传感器的输出信号 根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式； 由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。 * * 5.3 压电式传感器的基本性能指标及误差 压电式传感器的基本性能指标包括灵敏度、频率特性、精度和绝缘电阻等；在这里，误差主要介绍的是压电式传感器与环境因素相关的误差，主要是由环境温度、湿度以及接线等引起的。 * * 5.3.1 压电式传感器的基本性能指标 灵敏度 频率特性 精度 绝缘电阻 * 5.3.2 压电式传感器的误差 环境温度的影响 环境湿度的影响 电缆噪声 接地回路噪声 * 5.3.3 压电式传感器的应用 1)压电式加速度传感器基本原理 * 5.3.3 压电式传感器的应用 2)压缩式压电加速度传感器的结构图 * * 3）压电式压力传感器 压电式压力传感器主要由本体、弹性敏感元件和压电元件组成，其结构简图如图所示： * 4）集成压电传感器 随着现代微电子技术的发展，集成的压电传感器已在工程中获得了广泛的应用； 集成的压电传感器是把压电传感器和前置放大器集成在一起； 集成的压电传感器有三种——一种是内装式微型电荷或电压放大器的集成压电传感器，一种是恒流源供电的集成压电传感器；还有一种是恒压源供电的集成压电传感器。 * 集成压电传感器的优点 （1）集成了前置放大器，及相关电路，简化了测量系统，降低了成本； （2）传输信号的电缆，不需采用专用的低噪声同轴电缆，采用普通的电缆就能满足需要； （3）实现了信号的低阻抗输出，增强了测量系统的抗干扰能力。 * 压电式传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 NI CONFIDENTIAL NI CONFIDENTIAL NI CONFIDENTIAL NI CONFIDENTIAL NI CONFIDENTIAL NI CONFIDENTIAL NI CONFIDENTIAL * 第5章 压电式传感器 * 本章主要内容 5.1 压电式传感器的工作原理 5.2 压电式传感器测量电路 5.3 压电式传感器的基本性能指标及误差 5.4 压电式传感器的应用 * 5.1压电式传感器的工作原理 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 * 5.1.1 压电式传感器的原理 压电效应——某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应； 电致伸缩效应——与压电效应相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” ，也叫电致伸缩效应。 * 1）“压电效应”——“电致伸缩效应” 压电效应具有方向性； * 2）石英晶体的压电效应机理示意图 * 3）石英晶体外形及切片外形 * 4）晶轴命名 石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴； x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴（z）；y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面；z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。 * 5）产生电荷的条件 在无外力作用时，电荷不会移动； 当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形，正负电荷中心分离，表面带电； 同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形 ，正负电荷中心分离，表面带电； 当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，