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清华大学测试与检测技术基础王伯雄第7章被测量的获取3
第四章 被测量的获取 第四章 被测量的获取 4.1 被测量获取的基本概念 4.2 传感器的分类 4.3 电阻式传感器 4.4 电阻式温度计 4.5 热敏电阻 4.6 电感式传感器 4.7 电容式传感器 4.8 压电传感器 4.9 磁电式传感器 4.10 红外辐射检测 4.11 固态图象传感器 4.12 霍尔传感器 学习重点 获取被测量的基本方法,传感器的分类及依据的原理; 参量型(电阻、电容、电感)传感器的作用原理、测量电路和典型应用; 绝对速度、惯性加速度传感器的频率响应特性曲线及其分析,系统特性参数(ωn,?)的求法。 4.8 压电传感器 压电传感器:一种有源传感器,亦即发电型传感器。它利用某些材料的压电效应,这些材料在受到外力的作用时,在材料的某些表面上产生电荷。 一、压电效应 压电效应(piezoelectric effect): 某些材料当它们承受机械应变作用时,其内部会产生极化作用,从而会在材料的相应表面产生电荷;或者反过来当它们承受电场作用时会改变其几何尺寸。 分类: 单晶压电晶体,如石英、罗歇尔盐(四水酒石酸钾钠)、硫酸锂、磷酸二氢铵等; 多晶压电陶瓷,如极化的铁电陶瓷(钛酸钡)、锆钛酸铅等; 某些高分子压电薄膜。 用极化强度矢量来表示材料的压电效应: 式中x、y、z是与晶轴关连的直角坐标系(见图4.45)。 将极化强度写成轴向应力σ与剪应力τ表示的形式: 压电系数d的量纲对于正压电效应来说为 即每单位力输入时的电荷密度,对于逆压电效应来说则是 即每单位场强作用下的应变。 石英晶体是常用的压电材料之一。其中纵轴Z—Z称为光轴, X—X轴称为电轴,而垂直于X—X轴和Z—Z轴的Y—Y轴称为机轴。沿电轴X—X方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应,而将沿机轴Y—Y方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴Z—Z方向作用有力时则并不产生压电效应。 主要的压电效应: 横向效应; 纵向效应; 剪切效应。 晶片在电轴X—X方向上受到压应力σxx作用 极化强度Pxx又等于切片表面产生的电荷密度,即 式中 qxx——垂直于晶轴X-X的平面上产生的电荷量。 由式(3-70)和(3-71)可得 当石英晶体切片受X向压力作用时,所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比,但与切片的几何尺寸无关。 在横向(Y—Y)施加作用力Fy 式中 d12—石英晶体在Y—Y轴方向受力时的压电系数; ly,lx—石英切片的长和厚。 根据石英晶体轴的对称条件有 则式(4.73)变为 当沿着机轴Y—Y方向施加压力时,产生的电荷量与晶片几何尺寸有关,而该电荷的极性则与沿电轴X—X方向加压力时产生的电荷极性相反(式中负号)。 压电体受到多方面的力作用: 纵向和横向效应可能都会出现。 可将式(4.72)和(4.73)统一用矩阵形式表示为 Q=LDF (4.75) 式中Q、D、F均为矩阵;L为列向量,其大小取决于压电体不同的受力方式及晶片的尺寸。 铁电陶瓷 铁电陶瓷是另一类人工合成的多晶体压电材料,它们的极化过程与单晶体的石英材料不同。这种材料具有电畴结构形式,其分子形式呈双极型,具有一定的极化方向。 钛酸钡陶瓷未受外加电场极化时:钛酸钡晶体单元在120oC以下时形状呈立方体。在无外电场作用时,各电畴的极化效应相互被抵消,因此材料并不显示压电效应。 二、压电传感器工作原理及测量电路 压电传感器可视为一个电荷发生器,也是一个电容器,其形成的电容量 压电传感器可被视为一个电荷源: 等效电路中电容器上的开路电压ea、电容量q以及电容Ca三者间的关系有 压电传感器可被视为一个电压源。 压电传感器实际的等效电路 若将压电传感器接入测量电路,则必须考虑电缆电容CC、后续电路的输入阻抗Ri、输入电容Ci、以及压电传感器的漏电阻Ra,此时压电传感器的等效电路如图4.62所示。 压电传感器的前置放大器: 采用电阻反馈的电压放大器; 采用电容反馈的电荷放大器。 C—等效电路总电容,C=Ca+Cc+Ci; e—电容上建立的电压; i—泄漏电流。 而e=Ri 式中R为放大器输入阻抗Ri和传感器的泄漏电阻Ra的等效电阻,R=Ri//Ra 。 当测量的外力为一动态交变力F=F0sinω0t时,则根据式(4.75)有 为分析简单起见,将L归一化得: 或 上式的稳态解为: 电容上的电压值 设放大器为一线性放大器,则放大器输出 式中k——放大器的增益。 总结: 压电传感器的低频响应取决于由传感器、连接电缆和负载组成的电路的时间常数RC 。 为了不失真地测量,压电传感器的测量电路应具有
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