压电式传感器的测量电路-Read.PPT

第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用 二、 压电式加速度传感器 图 6 - 10 是一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。  当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质量块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力是加速度的函数, 即 F=m·a （6 - 14） 式中: F——质量块产生的惯性力;  m——质量块的质量;  a——加速度。 此时惯性力F作用于压电元件上, 因而产生电荷q, 当传感器选定后, m为常数, 则传感器输出电荷为  q=d11F=d11ma （6 - 15） 与加速度a成正比。因此, 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。  三、 压电式金属加工切削力测量 图 6 - 11 是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 * 6.1压电效应及压电材料 6.2压电传感器测量电路 6.3压电式传感器的应用 第6章 压电式传感器 返回主目录 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。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小#, 重量轻#, 工作频带宽等特点, 因此在各种动态力、 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。  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。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 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”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转换, 如图6 - 1所示。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。  压电材料的主要特性参数有:  （1） 压电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。  （2） 弹性常数压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。  （3） 介电常数对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。  （4） 机械耦合系数在压电效应中, 其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5） 电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。  （6） 居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。 一、 石英晶体 石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。图6- 2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”, 而把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。  若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6 - 2（c）所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为  qx = d1