04压电式传感器.ppt

第4章压电式传感器4.1压电传感器工作原理4.2压电传感器测量电路4.3压电传感器的应用压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）;压电效应具有可逆性，也是一种典型的”双向传感器”。它以某些电介质（如单晶体SiO2，多晶体压电陶瓷类材料等）的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电测目的。特点:工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。应用范围：各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。是一种新型的，很有发展的传感器。4.1压电式传感器的工作原理某些晶体电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，或产生内部电场。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生机械变形或应力，电场去掉后，电介质的变形或应力随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。4.1.1石英晶体的压电效应晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷石英晶体的压电效应4.1.2压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。陶瓷片压电效应4.2压电传感器测量电路4.2.1压电元件及其等效电路4.2.2电压输出型测量电路4.2.3电荷输出型测量电路4.2.1压电元件及其等效电路4.2.1压电元件及其等效电路压电晶体不适合于静态测量由以上等效电路可知，只有当压电传感器内部无漏损或外接负载RL趋近于无穷时，其受力后产生的电荷才能保持，否则将会放电释放。对于静态、低频测量是不利的。只有外力不断变化或高频作用下，才能得以补充，因此从这个意义上将，压电晶体不适合静态测量。1串联输出型压电元件2并联输出型压电元件压电式传感器的信号调节电路 压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。4.2.2电压输出型测量电路（1）电压放大器传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输出端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。4.2.3电荷输出型测量电路 压电式传感器另一种专用的前置放大器。 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1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。4.3压电传感器的应用测试原理4.3.1压电式力传感器压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力—电转换的传感器。变形方式：利用纵向压电效应的TE方式（厚度变形）最简便。材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目：在拉、压场合,通常采用双片或多片石英晶体作压电元件，可以使传感器的电