[工学]压电式传感器2.ppt

8.2 压电传感器的等效电路 当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。 8.3 压电式传感器的测量电路 8.4 压电式传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏元件，可以用来测量最终能转 换成力的多种物理量。 一、 压电式加速度传感器 1．结构和工作原理 2．灵敏度 压电式加速传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Kq(C·s2·m?1)表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度Ku(V·s2·m?1)表示。其一般表达式为： 式中，Q—压电式传感器输出电荷量(C)；Ua—传感器的开路电压(V)；a—被测加速度(m／s2)。 因为Ua=Q/Ca，所以有 压电加速度传感器的灵敏度： 原理： 加速度a ？ 压电元件电荷Q=dF 压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度： 3．频率特性 压电式加速度传感器可以简化成由集中质量m、集中弹簧k和阻尼器c组成的二阶单自由度系统。因此，当传感器感受振动体的加速度时，可以列出其运动方程 式中，y1—振动体的绝对位移；y0—质量块的绝对位移。 上式可改写为 根据二阶传感器频响特性分析方法，可得压电式加速度传感器的幅频特性和相频特性分别为： 式中，?—振动角频率； —传感器的固有角频率； —阻尼比； —振动体加速度。 质量块与振动体之间的相对位移 就是压电元件受到作用力后产生的变形量，因此，在压电元件的线性弹性范围内，有 式中，F—作用在压电元件上的力；ky—压电元件的弹性系数。 而压电片表面所产生的电荷量与作用力成正比，即 式中，d—压电元件的压电常数。 则,压电式加速度传感器灵敏度与频率的关系为 在?/?n相对小的范围内，有 当传感器的固有频率?n ???时，传感器的电荷灵敏度 Kq=Q/ 近似为一常数。从频响特性也可清楚地看到，在这 一频率范围内，灵敏度基本上不随频率而变化。这一频率范 围就是传感器的理想工作范围。 对于与电荷放大器配合使用的情况，传感器的低频响应受 电荷放大器 的-3dB下限截止频率 fL=1/2?RfCf 限制，而一般 电荷放大器的 fL 可低至0.3Hz，甚至更低。因此当压电式传 感器与电荷放大器配合使用时，低频响应是很好的，可以测 量接近静态变化非常缓慢的物理量。 压电式传感器的高频响应特别好，只要放大器的高频截止 频率远高于传感器自身的固有频率。那么，传感器的高频响 应完全由自身的机械问题决定，放大器的通频带要做到 100kHz以上是并不困难的，因此，压电式传感器的高频响应 只需考虑传感器的固有频率。 实际测量的振动频率上限 ?=(1/5~1/3)?n。由于传感器的固 有频率相当高(一般可达30kHz甚至更高)，因此，它的测量频 率上限仍可达几千赫，甚至达十几千赫。 振动测试 4．压电式加速度传感器的结构 下图为四种压电式加速度传感器(基于厚度变形的压缩式)的典型结构。 图 压电式加速度传感器结构 （a)外围配合压缩式；(b)中心配合压缩式；(c)倒装中心配合压缩式；(d)剪切式 1—基座；2—压电晶片；3—质量块；4—弹簧片；5—电缆 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