力敏传感器及其应用.ppt

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力敏传感器及其应用

力敏传感器及其应用 一、力敏传感器概述 二、电阻应变式传感器 1.电阻应变式传感器工作原理 三、电感式传感器 课题二 压电传感器的转换原理 任务目标 ★ 掌握压电式力敏传感器的工作原理; ★ 掌握电容应变式力敏传感器的工作原理; ★ 了解压电应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。 一、压电传感器 2.几种常见的压电传感器 (1)压电式单向测力传感器 压电式单向测力传感器结构如图2-20所示,主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件,其外缘壁厚为0.1~0.5mm,当受外力F作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy型,利用其纵向压电效应。 二、电容式传感器 (a)材料受压 (b)材料受拉 (c)材料受压 (d)材料受拉 图2-14 压电效应 (2)压电传感器材料及特性 常用压电传感器的材料一般有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。 ① 石英单晶分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好,如图2-15所示。适用的工作温度范围宽,动态响应快,机械强度大,弹性系数高,稳定性好。 (a)压电常数与温度的关系 (b)介电常数与温度的关系 石英晶体的外形是规则的六角棱柱体,它有三个晶轴,如下图所示。 石英晶体的坐标轴和切片 纵向压电效应:沿着X轴对晶片施加力时,在垂直于X轴的表面上产生电荷。 横向压电效应:沿着Y轴对晶片施加力时,在垂直于X轴的表面上产生电荷。 ② 压电陶瓷是多晶体。最常见的有钛酸钡、锆钛铅系列等。压电陶瓷属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶压电材料,它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域,它有一定的极化方向,从而存在一定的电场。在无外电场作用时,各个电畴在晶体上杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,因此原始的压电陶瓷内极化强度为零,经过人工极化后,保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用 。 ③ 有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性,可以做成较大面积,主要用于微压测量和机器人的触觉。 (a)天然石英晶体 (b)石英晶体薄片 (c)压电陶瓷 (d)高分子压电薄膜 各种压电材料的外形图 (3)压电传感器的结构 压电传感器是一种有源传感器,同时又是一个电容器,其结构如图2-17(a)所示。它是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀,形成金属膜,引出两个电极。实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联。如图2-17(b)、(c)所示,就如同将两个电容器串联和并联一样。串联输出的电压高,自身电容小;并联输出电荷量大,电容量大。串联主要用在以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合,而并联由于时间常数大,主要用于以电荷为输出量的场合,适于测量缓变信号。 (a)压电晶片 (b)串联 (c)并联 图2-17 压电晶片及压电传感器结构 (4)压电传感器基本应用电路 根据后续放大电路是电压放大还是电荷放大,可将压电传感器等效为电压源电路和电荷源电路,如图2-18所示,Ca为等效电容。 (a)电荷源等效电路 (b)电压源等效电路 图2-18 压电传感器等效电路 由于压电传感器产生的电量非常小,且内阻极高,就要求测量电路的输入电阻尽量大,这样才能减小测量误差,因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器,然后再接入一般的放大电路。 前置放大器有两个作用:第一是将压电传感器的输出信号放大;第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种,相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种型式。 下面简单介绍电荷型放大电路,如图2-19所示。 (a)等效电路 (b)简化电路 图2-19 压电式传感器电荷放大的电路 图2-19(a)中Ra为压电传感器的绝缘电阻,Cc为连接电缆的传输电容,Ri为前置放大器的输入电阻,Ci为前置放大器输入电容;图(b)中为等效综合电容, =Ci+Ca+Cc, 即为等效综合电阻,两图中Rf 、Cf为反馈电阻和电容,分析计算可得输出电压 (2-10) 可见输出电压值主要决定于和Cf,因此要得到必要的测量精度,反馈电容Cf的温度和时间

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