第6章压电传感器案例.ppt

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第6章 压电传感器 概述 压电传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器),它的转换原理:晶体的压电效应。 压电传感元件是力敏感元件,因而可测量最终能变为力的那些物理量,如力、压力、加速度、机械震荡等。 6.1 压电效应 6.1.1 晶体压电效应 当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时,在其表面上会产生电荷(束缚电荷),这种效应称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。 压电效应是可逆的,即晶体在外电场的作用下要发生形变,这种效应称为反向(逆)压电效应。 6.2压电材料 石英晶体 人造晶体 压电陶瓷 压电高聚物薄膜 压电复合材料 传感器可看成电压发生器,也可看成电荷发生器。因此前置放大器也有两种形式:一种是电压放大器, 其输出电压与输入电压成比例;另一种是电荷放大器,其输出电压与输入电荷成比例。 两种放大器的主要区别:使用电压放大器时,测量系统的输出对电缆电容的变化很敏感,连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出。 使用电荷放大器时,电缆长度变化对输出的影响可以忽略不计,允许使用很长的电缆,但它与电压放大器比较,价格要高得多,电路也比较复杂,调整又比较困难。 6.3.2、电荷放大器 电荷放大器本身并不是放大输入端的电荷,而是将输入电荷转换为成比例的电压输出,因此实际它是一个电荷-电压变换器,先介绍理想电荷放大器特性: 6.3.3、电压放大器 6.4、压电传感器及其应用 (只讲原理) 6-14(a)是用于压力测量,6-14(b)用于位移测量,6-14(c)针对在测压力时容易受到振动加速度的影响,采取了补偿所示。 分析压电加速度传感器的动态响应 用具有质量为m、弹性系数为k?、阻尼系数为c?的弹簧二阶系统来模拟其动态响应. 设被测振动体位移x0,质量块相对位移xm,则质量块与被测振动体的相对位移为xi,即 xi= xm-x0 6.5 压电谐振式传感器 6.3.2 石英晶体谐振式压力传感器 1.工作原理 厚度剪切模的石英振子固有共振频率为 2.石英谐振器QPT结构 图6.13 石英谐振器QPT的结构 石英圆筒能有效地传递振子周围的压力,并有增压作用。在传感器内部采用双层恒温器,以保证传感器工作温度的稳定(误差不大于±0.05°C)。被测压力通过隔离膜片由高弹性低线胀系数的液体介质传递给石英谐振器。这种传感器可以测量液体的压力,量程达到70MPa。 图6.14为这种石英谐振式压力传感器的结构。图中QPT靠薄弹簧片N悬浮于传压介质油O中。压力容器由铜套筒C和钢套筒S构成,隔膜D与钢套筒S连接,E为QPT的电接头。QPT的温度由内加热器HI和外加热器HO控制。当传感器工作时,可使QPT保持在±0.05°C恒温以内,从而使振子达到零温度系数。隔膜D是容器内的油和外压力介质的分界层。液体油O(合成磷酸盐脂溶液)热膨胀系数比较低,以便减小因温度变化引起的液体油压变化而造成的(温度)读数误差。端盖用不锈钢制造,P为压力进口。 与传感器配套实现数字测量的电路框图如图6.15所示。 6.5.4 石英晶体谐振式质量传感器 (1) 压电汞蒸气探测器 原理:石英晶片的共振频率f 因附加到其上的质量的增减而变化,即 (2). 在电化学与导电材料方面的应用 物质的电化学变化过程总是伴随着电子、离子或基团的变迁,从而引起微小的质量变化。以石英微天平(QCM)探头表面电极作为工作电极,与参比电极和辅助电极组成三电极系统, 即构成电化学石英微天平(EQCM)。通过监测频率来确定探头电极表面质量负载及表面性状,从而可破译电化学变化的微观过程。 EQCM用于化学合成的研究中,石英探头表面电极既是传感面,又是电化学反应场所,合成过程引起电极表面微小的质量变化,即可被现场监测出来,其灵敏度可达到亚单层表面分子, 因此适用于研究电化学反应实际过程中各种因素对反应的影响, 为确定合成条件提供依据。此外,EQCM还应用于导电聚合物材料的研究、 电化学沉积与溶解过程的研究、表面/界面物理及化学过程的在线监测等方面。 3. 在生物医学方面的应用 利

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