《感测技术》 第六章 压电传感器.pptVIP

《感测技术》 第六章 压电传感器.ppt

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压电传感器的特点 是一种典型的有源传感器 是一种典型的”双向传感器” 灵敏度高 频响宽(0.1Hz~几十KHz) 体积小、重量轻 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 受X方向的压力时 同理,受Y方向的压力时 受到Z方向的力 压电传感器的等效电路 压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器,其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 前置放大器有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。 一、电压放大器 例题 一只压电式加速度计,采用输入阻抗无穷大的电压放大器,供它专用的电缆的长度为1.2m,电缆电容为100pF,压电片本身的电容为100pF。出厂时标定的电压灵敏度为100mV/g(g=9.8m/s2度为重力加速度),若使用中改用另一根长2.9m的电缆,其电容量为300pF,问电压灵敏度如何改变? 例题 用电压源等效,不考虑泄漏电阻,等效电路如图所示 Cf保持不变,输出电压Uo与压电效应电荷qa成单值线性关系 输出与电缆电容无关 电缆可长达1km 电缆可更换 Rf提供直流负反馈 减小零漂、提高稳定度 例题 Ca=100pF,Rd=Ri = ∞,Ci= ∞, CF=10pF,A=104 ,考虑引线Ce影响,要求输出信号衰减1% ,90pF/m的电缆,其最大允许长度为多少 ? 例题 例题 例题 交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上,可以获取车型分类信息(包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎)、车速监测、收费站地磅、停车区域监控、交通数据信息采集(道路监控)及机场滑行道等。 高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米,平行埋设于柏油公路的路面下约5cm,可以用来测量车速及汽车的载重量,并根据存储在计算机内部的档案数据,判定汽车的车型。 ω=0(静态量)时,Uim=0(输入电压为零) 原因:由于等效电阻不可能无穷大,存在电荷泄漏,所以不能测量静态量 ωτ3(高频情况),放大比为常数 输入电压与作用力频率无关 τ一定,ω越高,高频响应越好 对低频测量情况:τ一定,ω↓偏差越大 所以要求τ要大,扩大 低频响应范围 输出电压灵敏度受电缆分布电容影响 2 2 ) ( ) ( 1 i e a m im C C C R d F U K + + + = = w 灵敏度: 当ωR1时, Ca越大反而灵敏度越低 只有通过增大R,才能在不影响灵敏度的条件下提高τ R=Ra//Ri,Ra已经很大,只有增大Ri才能有效提高τ,从而 改善低频特性。 U0=UaCa/(Ca+Cc) U0’=UaCa/(Ca+Cc’) 电缆电容变为Cc’ K’=K U0’/U0=S(Ca+Cc)/(Ca+Cc′) =100(1000+100)/(1000+300)=84.6mV/g qa Ui -A Uo C C qa R R 二、电荷放大器 Rf -A Uo Cf Ci Ce Ca Ui Rd Ri Rf -A Uo Cf Ci Ce Ca Ui Rd Ri Rf -A Uo Cf Ce Ca Ui A= ∞时,理想输出 A= ∞时,理想输出 实际输出与理想输出信号的误差为: 实际输出与理想输出信号的误差为: 要求: 第三节 压电传感器的应用 压电传感器的物理基础是压电效应,根据输出电压或电荷的大小和极性,可确定作用力的大小和方向。 压电传感器可以直接用于测力,或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。 一、压电式力传感器 图为压电式单向测力传感器,图中压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片,实现力与电的转换;上盖为传力元件,受力后产生弹性变形,将作用力传递到压电元件上 二、压电式压力传感器 压电式压力传感器根据使用要求不同,有多种结构型式,下图是常见的膜片式压电压力传感器 压电元件为两片纵向压电效应石英晶片,具有良好的线性度和长时间稳定性;作用到受压膜片上的压力,通过传力块作用到压电元件上,使晶片产生厚度变形; 三、压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是最常用的一种加速度计,在各种测振传感器中,压电式加速度传感器约占80% 1.工作原理 式中 ɑ ——被测加速度(m/s2)。 当压电传感器输出量为电压Ua 时,用电压灵敏度Ku 表示

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