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第五章物理传感器2(压电式热电式)

第五章 物理传感器2 (压电式、热电式) 张麒 上海大学 通信与信息工程学院 5.1压电式传感器 5.1.1压电效应 压电材料 某些晶体 某些经过极化处理的陶瓷 某些特殊的经极化处理的高分子化合物 正压电效应 由于压电材料分子、原子结构上的不对称,当在这些材料上施加应力时,在材料内部的某个方向上会产生电场 逆压电效应 在压电材料上施加电场后,它会在某个方向上产生应力和应变 压电材料 压电晶体 天然石英晶体 人造石英晶体 压电陶瓷 由几种氧化物或碳酸盐烧结而成的凝固溶体 钛酸钡 锆钛酸铅 铌酸盐 5.1.2 石英晶体的压电特性 单晶体结构 六角形晶柱 电轴x方向施加作用力,在与x方向垂直的平面上将产生电荷Qx 沿y方向施加作用力,仍在与x方向垂直的平面上产生电荷Qy 电荷极性由受压力/拉力决定 石英晶体压电模型图示 硅离子与氧离子形成电偶极矩P1、P2、P3 石英晶体切片上电荷极性与受力方向关系 5.1.3 压电陶瓷的压电特性 人造多晶体 晶粒有许多自发极化的电畴 极化处理之前,电畴排列方向是任意的,自发极化作用相互抵消,极化强度为零 施加电场后,电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致,产生极化 电场撤消后,不完全恢复到自发状态,存在剩余极化强度 只有经过极化处理后的压电陶瓷才具有压电效应 极化后 端面上产生正负极性的束缚电荷 吸附空气中的自由电荷 对外不显电性 施加一与极化方向平行的外力 陶瓷片发生压缩变形 束缚电荷间距离变小,电畴发生偏移,极化强度减小,自由电荷释放,呈现放电现象,放电电荷与外力成正比 撤去外力 陶瓷片恢复原状,极化强度增大,又吸附自由电荷,出现充电现象 5.1.4 压电式传感器等效电路 压电传感器可看作一个带有电压源/电荷源的电容器 电容Ce和漏电阻Re 电缆的等效电容Cc 放大器输入电阻RI和输入电容CI 5.1.5 压电式传感器测量电路 (1) 电压放大器 (2) 电荷放大器 (1) 电压放大器 设 时间常数 w高频时(ww1) 与w无关,仅取决于等效电路的参数 这就是压电式传感器适用于交变压力测量的主要原因 w低频时(ww1) 与w有关 当w=0时,UIm = 0,不能测量静态物理量 为提高低频作用力的测量范围,应减小w1,即增大时间常数(增加RI或增加CI) 压电式传感器灵敏度 与放大器输入电容的关系 提高输入电容CI将降低传感器的电压灵敏度 与电缆等效电容CC的关系 更换电缆需重新标定传感器 (2) 电荷放大器 分析Q与UO之间的关系 为便于电路分析,将电荷源改为电压源形式 高频时 当放大器闭环增益足够大 5.1.6 压电式传感器的应用举例 压电式压力传感器 血压测量 超声探头(换能器) 加速度型压力传感器 F = ma 微重力压电晶体生物量测量传感器 石英晶体微电平 检测凝血酶原时间和血沉 5.2 热电式传感器 What 利用某些材料的物理、化学性质与温度有关的特点,将温度变化转化为电学量变化的器件 Why 体温为医生提供了生理状态的重要信息 休克 感染 低温麻醉 发炎 5.2.1热敏电阻式传感器 热电阻效应 几乎所有物质的电阻率都随温度变化而变化 材料 金属 半导体 5.2.1.1 金属热电阻 测温元件要求: 良好的线性、稳定性 较高电阻率 常用金属热电阻材料 铂 铜 铂电阻 0~630摄氏度 -200~0摄氏度 铜电阻 -50~150摄氏度 金属热电阻结构形式 棒式、笼式、薄片式 常用:薄片式 将电阻丝绕在一特制的云母薄片上,再将其封装在一特制的保护套内 适用于体表温度测量 金属热电阻测量电路 直流电桥 由于铜、铂的电阻值较低,导线电阻值不能忽略 采用三线式测量电路 当UA=UB时,电桥平衡,调节RP,使 5.2.1.2 半导体热敏电阻 体积小、灵敏度高、长期稳定性好 分类 正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR) PTC/CTR,非线性,只适合于开关状态工作或特定小温度范围工作 NTC 温度系数 -3%~-5% 比金属的温度系数大10倍 稳定度可达±0.2%/年 450℃时,电阻-温度符合指数规律 半导体热敏电阻的结构 半导体热敏电阻的线性化 当所需的温度量程较大时,电阻-温度特性的固有非线性严重影响测温精度 方法 并联网络改善电阻-温度特性 串联网络改善电导-温度特性 恒流源供电 以热敏电阻两端的测量电压作为温度指示(U=IR) 用一个经过适当选择的电阻RP与RT并联进行线性化 恒压源供电 以热敏电阻的电流作为温度指示(I=UG) 用一个经过适当选择的

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