广东海洋大学传感器课件第6章 压电式传感器.ppt

并联 串联 （1）并联： （2）串联： 电容大，输出电荷大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号。 电容小，输出电压大，适宜用于以电压输出，并且输入阻抗很高的场合。  厚度变形(TE); (b) 长度变形(LE)； (c) 体积变形(VE)； 面切变形(FS)； (e) 剪切变形(TS) 压电元件，按其受力和变形方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。 6.2 压电式传感器测量电路 6.2.1 压电式传感器的等效电路 压电式传感器相当于一个电荷发生器和一个电容器， 晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质， 则其电容量为 式中： A——压电片的面积；  d——压电片的厚度；  εr——压电材料的相对介电常数。 Ua——电容器上的电压 q——电荷量 Ca——电容量 压电元件的等效电路 压电传感器在实际测量中，要与放大器及测量电路相连，此时的等效电路 Cc——电缆的等效电容 Ri——放大器的输入电阻 Ci———输入电容 Ra——压电传感器的泄漏电阻 电压源 压电元件 电压 放大器 电缆 电荷 压电元件 电荷 放大器 电缆 6.2.2 压电式传感器的测量电路 前置放大器的作用： （1）阻抗转换（2）放大 1. 电压放大器（阻抗变换器） R=RaRi/(Ra+Ri) C=Cc+Ci ua=q/Ca 压电元件受力 f=Fm sinωt 则 式中： Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca  d——压电系数。 前置放大器输入端电压： 前置放大器输入端电压： 前置放大器输入端电压幅值： 输入电压与作用力间的相位差： ωR (Ca+Cc+Ci) 1时 时间常数 压电传感器有很好的高频响应 2. 电荷放大器 式中 ： uo——放大器输出电压；  ucf——反馈电容两端电压。 Cf 电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，输出电压与电荷和被测压力成正比。 放大器输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，反馈电容两端的电压接近于放大器的输出电压。 小结 6.3 压电式传感器的应用 6.3.1 压电式测力传感器 压电式单向测力传感器主要由石英晶片、 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φ8×1mm。该传感器的测力范围为0~50N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为50~60 kHz，整个传感器重为10 g。 6.3.2 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 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=ma 式中：F——质量块产生的惯性力；  m——质量块的质量；  a——加速度。 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。 补充 压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 粘贴位置 高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器 质量块 将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10?20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。 压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断