《现代检测技术与仪表》孙传友高教出版社电子教案第5章.docVIP

第5章 电压型传感器 5.1 磁电感应式传感器 5.1.1 基本原理和组成 一、基本原理——电磁感应定律 二、基本组成 1．磁路系统——产生恒定的直流磁场，一般采用永久磁钢 2．线圈——产生感应电压 3．运动机构——感受被测运动 5.1.2 结构类型 一、变磁通式——永久磁铁和线圈均不动（变磁阻式） ①铁芯平移型 图5-1-1（a） e与或正比 ②铁芯旋转型 图5-1-1（b） 思考：铁芯可否成园形 二、恒磁通式——永久磁铁与线圈相对运动 ①动铁式——图5-1-2（a） ②动圈式 平移型 图5-1-2（b） 旋转型 图5-1-2（c） 5.1.3 接口电路 图5-1-3 1．测振动速度——双刀三掷开关置于 2．测振动位移——双刀三掷开关置于 3．测振动加速度——双刀三掷开关置于 5.2 压电式传感器 5.2.1 压电效应及其表达式 一、压电效应 1．正压电效应（压电效应） 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，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 2．逆压电效就（电致伸缩效应） 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形。 二、压电效应方程 1、力电表示方法： 图5-2-1 i——电荷产生面 i=1,2,3分别代表x、y、z面 j——外加应力方向 j=1,2,3 分别代表使x、y、z轴伸缩的力 j=4,5,6分别代表x、y、z面受剪切的力 三、压电效应表达式 1．单一压电效应——单一应力作用 ——i面上产生的电荷密度 ——j方向的外加应力 ——j方向应力引起i面产生电荷时的压电常数 图5-2-2（a） i=j 应力与电荷面垂直，厚度伸缩——纵向压电效应 图5-2-2（b） ，应力与电荷面平行，长宽伸缩——横向压电效应 图5-2-2（c） ，电荷面受剪切——面切压电效应 图5-2-2（d） ，厚度受剪切——剪切压电效应 2．全压电效应——多应力同时作用 常见实例——体积压电效应——图5-2-2（e） 在液体中 3．单位：库仑/米2 Tj——Pa 即N/m2 牛顿/米2） ——C/N (库仑/牛顿) 4．压电常数矩阵 四、力——电荷转换公式 因为 所以 令 表示电荷灵敏度 则 例1 图5-2-3（b） 纵向压电效应 例2 图5-2-3（c） 横向压电效应 5.2.2? 常用压电材料 石英晶体 压电陶瓷 压电常数 d11=2.31×C/N) d14=0.73× (C/N) d33=190× (C/N), d31=d32=-78×(C/N), d15=d24=250×(C/N) 压电效应 图5-2-5 图5-2-7 5.2.3 压电元件 一、压电元件的基本变形方式 压电元件有五种基本变形方式如图5-2-2所示。 压电陶瓷的压电常数比石英晶体的大数十倍。石英晶体的长宽切变压电效应最差，压电陶瓷的厚度切变压电效应最好，压电陶瓷的体积压缩压电效应适合于三维空间力场(如液体压力)的测量。 双片悬臂梁式压电传感器如图5-2-8所示。 二、等效电路 图5-2-9 思考 与图5-2-9相反的两种错误等效电路？ Q=dF 三、串并联——压电元件堆叠，使各元件均受相同力 并联 串联 电路连接 图5-2-10（a） 图5-2-10（b） 等效参数 时间常数 大 小 灵敏度 电荷灵敏度高 电压灵敏度高 适用场合 电荷输出，低频场合 电压输出，高频场合 5.2.4接口电路 一、压电传感器等效电路 图5-2-11 所以 二、电压放大器 图5-2-12 （一阶高通滤波特性） 时， 测力时， 三、电荷放大器 所以 （一阶高通滤波特性） 当时， 测力时，， 所以 结论：1、压电传感器不能测量静态参数 2、采用电压放大器，更换电缆时，须重新校