压电式压力及力传感器.ppt

石英的压电效应解释 石英(SiO2)晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织，纵轴z-z称作光轴，通过六角棱线而垂直于光轴的轴线 x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴。 如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于z-z、y-y、x-x轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。 当施加外力时，将沿x-x方向形成电场，其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上。沿x轴方向加力产生纵向压电效应，沿y轴加力产生横向压电效应，沿相对两平面加力产生切向压电效应。 BZ-8701A袖珍式测振仪 压电式传感器 习 题 用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？ 图6-10 电荷放大器等效电路 由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 （6-12） 通常A=104~108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，式（6-12）可表示为 （6-13） 由式（6-13）可见，电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100~104pF。 压电式传感器 压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。 由于外力作用而在压电材料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。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。 6.3 压电式传感器的应用 6.3.1 压电式测力传感器 图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 图6-11 压力式单向测力传感器结构图 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 图6-12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，并由螺栓加以固定。 图6-12 压电式加速度传感器结构图 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 （6-14） 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。 6.3.3 压电式金属加工切削力测量 图6-13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可测得切削力的变化。 图6-13 压电式刀具切削力测量示意图 6.3.4 压电式玻璃破碎报警器 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如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为15~20 kΩ 。 * * 3.3 压电式传感器 压电效应及压电材料 压电式传感器测量电路 压电式传感器的应用 压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到