第5章-压电式传感器.pptVIP

第5章压电式传感器;压电式传感器是一种典型的有源传感器，它利用了电介质物体在外力作用下会在其表面产生电荷的原理，来完成非电量的测量，故又称为自发电式传感器或电势式传感器;5.1压电效应与压电材料

;压电材料

;5.2压电式传感器的测量电路

;当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图5-5（a）所示。在开路状态，其输出端电荷为;工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。

如图5-6所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。;压电式传感器的测量电路

;1．电荷放大器

在略去压电式传感器的泄漏电阻Ra和放大器输入电阻Ri两个并联电阻（理想情况下二者都为无穷大），将压电式传感器等效电容Ca、连接电缆的等效电容Cc、放大器输入电容Ci，合并为电容C后，电荷放大器等效电路如图5-7所示。它由一个反馈电容Cf和高增益运算放人器构成，图中A为运算放大器，它的增益为K。Rf的作用是为了稳定直流工作点，减小零点漂移，一般取Rf?109?。;由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，当工作频率足够高时时，1/Rf?Cf，忽略（1+K）/Rf，反馈电容折合到放大器输入端的有效电容为;由此可见：

1）放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压UCf（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。

2）电荷放大器的输出电压UO，与电缆电容Cc无关，而与q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于q与被测压力成线性关系，因此，输出电压与被测压力成线性关系。;2．电压放大器

电压放大器的原理及等效电路如图5-8所示，其中Ui为放大器输入电压。将图中的Ra，Ri并联成为等效电阻R，将CC与Ci并联为等效电容C，于是有;由此可得放大器输入端的电压Ui的复数形式;上式表明：

理想情况下，前置放大器输人电压与频率无关。为了扩展频带的低频段，必须提高同路的时间常数R（Ca+Cc+Ci）。如果单靠增大测量回路电容量的方法将影响传感器的灵敏度，因此常采用Ri???大的前置放大器。;5.3压电式传感器的常用型号

;5.4压电式传感器的应用;1.压电式加速度传感器

压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成。

测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即质量块有一个正比于加速度的交变力作用于压电片上:;因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。输出电量由传感器的输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度。如要测量试件的振动速度或位移，可考虑在放大器后加入适当的积分电路。;2．压电式报警器

BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。

BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形如图5-10（a）所示，其内部结构如图5-10（b）所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为15kΩ～20kΩ。

;报警器的电路原理框图如图5-11所示。使用时把传感器贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。;3．表面粗糙度测试仪

;4．压电式力传感器

根据压电效应，压电式传感器可以直接用于实现力—电转换，影响这种转换效果的主要因素包括：

压电材料的选取、变形方式、机械上串联或并联的晶片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。

压电元件的变形方式以利用纵向压电效应的厚度变形最为方便；

压电材料的选择取决于待测力的量值大小（数量级）、对测量误差的要求、工作环境温度等；

晶片数目的选取通常是使用机械串联、电气并联的两片压电片，因为机械上串联数目过多会导致传感器抗侧向干扰能力的降低，而机械上并联的片数增多会导致对传感器加工精度的要求过高，并给安装带来困难，而传感器的电压输出灵敏度并不增大;压电式单向测力传感器的结构如图5-13所示。它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成。;5．压电式刀具切削力测量仪

图5-14是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。