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第七章 电动势式传感器
7.2.2 等效电路及信号变换电路 1. 压电元件的等效电路 2. 压电式传感器的信号调节电路 1. 压电元件的等效电路 静电荷发生器 : 当压电元件受到外力作用时,会在压电元件一定方向的两个表面(电极面)上产生电量相等、极性相反的电荷。 电容器:在压电元件的两个电极面上有电荷聚集,并且电极面间的物质可以等效为电介质。 压电式传感器的等效电路 (a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 两个压电片的联接方式 (a) “并联”,Q’=2Q,U’=U,C’=2C 并联接法输出电荷大,本身电容大,时间常数大, 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方, (b) “串联” Q’=Q,U’=2U,C’=C/2 而串联接法输出电压大,本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号,且测量电路输入阻抗很高的地方。 2. 压电式传感器的信号调节电路 压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值,才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器,然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用: 把压电式传感器的微弱信号放大; 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 前置放大器的形式: 1、电压放大器:输出电压与输入电压(传感器输出电压)成正比;要求高输入阻抗,以提高低频段测量范围。电缆长度应设为常数(灵敏度易受电缆电容的影响)。 2、电荷放大器:输出电压与传感器的输出电荷成正比。输出电压与传输电缆长度无关(电缆电容影响小),适合长距离传输工作。 经前置放大后,可采用一般放大、检波、记录等电路,或经功率放大至记录器。 7.2 压电式传感器 7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器 7.2.3 压电式加速度传感器 压缩式压电加速度传感器结构 测量原理 当传感器感受振动时,质量块感受与传感器基座相同的振动,并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样,质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应,两个表面上就产生交变电荷,当振动频率远低于传感器的固有频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比,亦即与试件的加速度成正比。 输出电量由传感器输出端引出,输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度,如在放大器中加进适当的积分电路,就可以测出试件的振动速度或位移。 7.2 压电式传感器 7.2.1 压电式传感器的工作原理 7.2.2 等效电路及信号变换电路 7.2.3 压电式加速度传感器 7.2.4 压电式测力传感器 7.2.4 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。 单向压电式测力传感器 用于机床动态切削力的测量。 压电式压力传感器 测量均布压力的传感器 教学总结 1、线圈式磁电传感器(工作原理、恒定磁通式结构及类型)。 1、压电效应及产生的机理; 2、压电晶片的测量电路类型及电路性能特点; 4、压电传感器的级联方式; 5、压电传感器的应用。 1、已知测量齿轮齿数Z=18,采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz),求:被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为±1齿时,转速测量误差是多少? 2、石英晶体压电式传感器,面积为100mm2,厚度为1mm,固定在两金属板之间,用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量为9*1010Pa,若所加力F=0.01sin(1000t)N,求晶体厚度的最大变化。 3、有一压电晶体,其面积Sx=20mm2,厚度δ=10mm,当受到P=10MPa的压力作用时,求产生的电荷量Q及输出电压。 1)压力沿X方向作用的石英晶体 (已知石英晶体的相对介电常数为4.5,压电系数d11=2.3×10-12C/N ); 2)压力沿极化方向作用的BaTiO3。 (已知BaTiO3的相对介电常数为1900,压电系数为d33=190×10-12C/N) * 磁电式传感器有基于电磁感应的磁电式传感器和霍尔式传感器。霍尔式传感器和电感式传感器从形体上到原理上都无相似之处。电磁感应的磁电
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