传感器与检测技术章压电.ppt

下图是压电式单向测力传感器的结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。  传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1～0.5mm，当外力作用时，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切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力—电转换。石英晶片的尺寸为φ8×1 mm。该传感器的测力范围为0～50 N，最小分辨率为0.01，固有频率为50～60 kHz，整个传感器重10g。 （1）压电式单向测力传感器 压电式压力传感器 （2）压电式压力传感器 消除振动加速度影响的压电式压力传感器的结构 下图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 式中：F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； a——加速度。 （3）压电式加速度传感器 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 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。 压电式加速度传感器结构原理图 压电加速度传感器工作原理图 压电加速度传感器的幅值线性度曲线 横向灵敏度图解 压电加速度传感器的横向灵敏度极坐标曲线 下图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。 （4）压电式金属加工切削力测量 压电陶瓷传感器测量刀具切削力 BS—D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。  BS—D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路见下图所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为15～20kΩ。 （5）压电式玻璃破碎报警器 BS—D2压电式玻璃破碎报警器 报警器的电路框图见下图。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。 压电式玻璃破碎报警器电路框图 5.压电传感器的等效电路 可以将压电式传感器看作一个静电电容器。 因此，从性质上讲，压电器件实质上又是一个有源电容器，通常其绝缘电阻 。 式中，S－电容器极板面积； h－压电元件厚度； －压电材料的介电常数； －真空的介电常数； －压电材料的相对介电常数，随材料 不同而变； －压电元件的内部电容。 由此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源和一个电容的电荷等效电路。 必须指出，上述等效电路及其输出，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra =RL=∞)条件下才成立。 压电式传感器测试系统的等效电路 8.2 测量电路 1.测量电路 测量电路：电压放大器、电荷放大器 （1）电压放大器 考虑电缆长度的影响； （2）电荷放大器 不用考虑电缆的影响。 单路动态信号测量 两路动态信号测量 电压放大器的简化电路图 （1）电压放大器 等效电阻R为 Fm——作用力的幅值 压电元件所受作用力 C=Cc+Ci 而 等效电容为 若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为 Um——电压幅值 由图(b)可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为 Ui的幅值Uim为 输入电压与作用力之间的相位差φ为 令τ=R(Ca+Cc+Ci)，τ为测量回路的时间常数，并令ω0=1/τ，则可得 可见，如果ω/ω01，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积