第2章__压电式和压磁式传感器.ppt

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第2章__压电式和压磁式传感器

2.4 压电式测力传感器 压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。 变形方式:利用纵向压电效应的TE方式最简便。 材料选择:决定于所测力的量值大小,对测量误差提 出的要求、工作环境温度等各种因素。 晶片数目:通常是使用机械串联而电气并联的两片。 晶片电气并联两片,可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。 上一页 下一页 返 回 单向压电式测力传感器 用于机床动态切削力的测量。 上一页 下一页 返 回 压电式压力传感器 测量均布压力的传感器 拉紧的薄壁管对晶片提供预载力而感受外部压力的是由挠性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统,以保证传感器工作在一定的环境温度条件下,避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差。 上一页 返 回 例题1 有一压电晶体,其面积S=3cm*cm,厚度t=0.3mm,在x切型纵向石英晶体压电系数 。 求受到压力p=10MPa作用时产生的电荷q及输出电压 注:其中真空介电常数: 石英相对介电常数为: 解: 受力作用后,石英晶体产生的电荷量为: 带入数据得: 晶体的电容量为: 得 输出电压 例题2 压电式加速度传感器的结构如图所示,假设重块组件的质量为m,压电元件的压电系数为d,传感器壳体内的等效阻尼系数为c。 要求: (1)分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系; (2)画出此加速度传感器的等效模型; (3)推导传感器的微分方程,并说明它是几阶环节的传感器。 解:(1)q=dF=dma U=q/C=dma/C C为传感器的电容量,a为测量加速度。 (2)等效模型如右图所示: (3)以m为分析对象,其受力为 弹簧力-ky,阻尼力-Cdy/dt 由牛顿第二定律:               所以是一个二阶环节的传感器。 2.5 压磁式传感器 也称磁弹性传感器。 特点:输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强等。 使用:轧钢压力和钢板厚度的控制系统; 起重运输的过载包括控制系统; 动态车辆装载物料的测重系统。 作用力 电信号 导磁率变化 测量电路 一、压磁效应 在外力的作用下,引起铁磁材料内部发生应变,则产生应力或应力的变化,使各磁畴之间的界线发生移动,从而使磁畴磁化强度也发生相应的变化,这种现象称之为压磁效应。 作用力引起导磁率发生改变的时候,作用力的作用方向是有影响的。 若作用力是拉力,则在作用力方向上的导磁率提高,垂直于作用力方向上的导磁率略有降低。 作用力是压力的话,效果相反。 二、压磁元件工作原理及其结构 利用铁磁材料的压磁效应,在受外力作用时,铁磁材料内部产生应力或应力变化,引起铁磁材料导磁率的变化而制成的传感器。当在铁磁材料上绕有激磁绕组和测量绕组时,导磁率的变化就转换为绕组间耦合系数的变化,从而使输出电势发生变化。 工作原理 在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4,在孔1、2间绕有激励绕组N12,孔3、4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流电流时,铁心中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域,在无外力作用的情况下,A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面,磁力线不与输出绕组交链,N34不产生感应电动势,如图b所示。 工作原理 在压力F作用下,如图c所示,A、B区域将受到一定的应力,而C、D区域基本处于自由状态,于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大,C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布,部分磁力线绕过C、D区域闭合,于是合成磁场H不再与N34平面平行,一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大,与N34交链的磁通越多,e值越大。 4. 压磁传感器的应用 ????? 压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前,这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力,吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。 三、压磁式传感器的结构及其工作原理

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