压电晶体-电子科技大学.ppt

第4章 压电式力学量传感器 目录 4.1 压电式传感器的工作原理 4.2 压电材料 4.3 压电式传感器的等效电路 4.4 压电式传感器的信号调节电路 4.5 压电式加速度传感器 4.6 压电式测力传感器 电荷放大器 电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010一1012Ω，输出阻抗小于100Ω． 使用电荷放大器突出的一个优点是，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。 4.5 压电式加速度传感器 4.6 压电式测力传感器 本章小结 概念:压电效应 问题1:试说明压电陶瓷的敏感机理。 问题2:试说明石英晶体的压电机理。 问题3:试说明压电式加速度传感器基本工作原理。 问题4:试说明压电效应的特点。 注意： 1. Cf容量是做成可调的．范围一般在100一10000PF之间。 2. 为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容的两端并联一个大电阻R(约108一1010Ω)，其功用是提供直流反馈。 1 工作原理 压缩式压电加速度传感器的结构原理图 压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。 在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。 灵敏度 提高传感器的灵敏度方法: 增大m（会影响试件的振动） 增加压电片的数目 采用合理的连接 压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量M、弹簧和阻尼器组成的二阶单自由度系统 式中：x——运动体的绝对位移； xm——质量块的绝对位移。 为此．实际测量的振动频率上限一般只取传感器固有频率的1／5—1／3左右，也就是说工作在频率特性的平直段。在这一范围内，传感器的灵敏度基本上不随频率而变化。即使限制了它的测量频率范围，但由于传感器的固有频率相当高(一般可达30kHz甚至更高)，因此，它的测量频率的上限仍可高达几千赫兹，甚至十几千赫兹。 频率特性 压电式加速度传感器的结构 压电元件的受力和变形常见的有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形四种。按以上四种变形方式也应当有相应的四种结构的传感器，但目前最常见的是基于厚度变形的压缩式和基于剪切变形的剪切式两种，前者使用更为普遍。 (a)为外圆配合压缩式。 它通过硬弹簧对压电元件施加预压力。 这种型式的传感器结构简单，而且灵敏度高，但对环境的影响(如声学噪声、基座应变、瞬时温度冲击等)比较敏感 这是由于其外壳本身就是弹簧一质量系统中的一个弹簧，它与起弹簧作用的压电元件并联，由于壳体和压电元件之间这种机械上的并联连接，因此，壳体内的任何变化都将影响到传感器的弹簧一质量系统．使传感器灵敏度发生变化。 1---基座 2 ---压电晶片 3 ---质量块 4 ---弹簧片 5 ---电缆 (b)所示为中心配合压缩式。它具有外因配合压缩式的优点、并克服了对环境敏感的缺点。这是因为弹簧、质量块和压电元件用一根中心核牢固地固定在厚基座上，而不与外壳直接接触，外壳仅起保护作用。但这种结构仍然要受到安装表面应变的影响。 1---基座 2 ---压电晶片 3 ---质量块 4 ---弹簧片 5 ---电缆 (c)是倒装中心配合压缩式，由于中心柱离开基座．所以避免了基座应变引起的误差。但由于壳体是质量一弹簧系统的一个组成部分，所以壳体的谐振会使传感器的谐振频率有所降低，以致减小传感器的频响范围。另外，这种形式的传感器的加工和装配也比较困难,这是它的主要缺点。 1---基座 2 ---压电晶片 3 ---质量块 4 ---弹簧片 5 ---电缆 剪切式加速度传感器。 它的底座向上延伸，如同一根圆柱，管式压电元件(极化方向平行十轴线)套在这根圆柱上，压电元件上再套上惯性质量环。 剪切式加速度传感器的工作原理是：如传感器感受向上的振动，由于惯性力的作用使质量环保持滞后。这样，在压电元件中就出现剪切应力，使其产生剪切变形．从而在压电元件的内外表面上就产生电荷，其电场方向垂直于极化方向。 1---基座 2 ---压电晶片 3 ---质量块 4 ---弹簧片 5 ---电缆 工作原理：利用纵向压电效应 传力元件 原理：拉紧的薄壁管对晶片提供顶载力，而感受外部压力的是由扰性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在一定的环境温度条件下，避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差。（TE方式） 电子科技大学 传感技术课程组