《检测技术》-01-5-压电式传感器-修订.ppt

电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为： 二、 压电式传感器的测量电路 测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大传感器输出的微弱信号 二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 1、电压放大器 等效电阻 等效电容 在力作用下产生的电压： 送入放大器输入端的电压为： 幅值为 与作用力之间的相位差为 传感器电压灵敏度为 当要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放大器的连接导线为定长，以保证CC不变。 压电式传感器的高频响应很好。 2. 电荷放大器 看作是电荷负反馈电路 电荷放大器等效电路图 特点：输出电压与电缆电容CC无关，即与电缆长度无关，更换电缆不影响传感器灵敏度，且输出电压与输出电荷成正比。 第五节 压电式传感器的应用 一、 压电式加速度传感器 1、结构 压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。 质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。 测量时，将底座与被测量加速度的构件刚性地连接在一起，使质量块感受与构件完全相同的运动。当构件产生加速度时，质量块将产生惯性力F1，其方向与加速度方向相反，大小为F1＝ma。此惯性力与预紧力F0叠加后作用在压电元件上，使得作用在压电元件上的压力F为： 压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即 2、工作原理 右图给出了Q＝f(F)的函数关系 为静态工作点的电荷量 与ma对应的是电荷的增量 工作时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则电荷放大器的输出电压的增量 由上式可知，电荷放大器的输出电压的增量 与加速度a成正比。因此，只要将 测出，即可测出构件的加速度。 如果在电路中增加一级或两级积分电路，则还可测出构件的速度或位移量。 二、 压电式玻璃破碎报警器 检测原理: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。 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报警电路相连。 带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。 比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时, 输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。 三、 压电式测力传感器 传感器上盖为传力元件, 当外力作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。两片石英晶体采用并联方式，一根引线两压电片中间的金属片上，另一端直接与上盖相接。利用其纵向压电效应, 实现力—电转换。电信号通过接头输出。可测动态力。 注意：上盖与石英晶体间应有一定的预压力。 四、 压电式金属加工切削力测量 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 五、压电式粗糙度测量传感器 * 概念原理：压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料(石英晶体和压电陶瓷）的压电效应。 是双向传感器。实现力与电荷的双向转换。 1.5 压电式传感器 应用：可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 特点： 缺点是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗。需用低电容的低噪声电缆。 （1.5.1） 第一节 压电效应 一、 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, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转换。 _ y 逆压电效应 压电效应 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电效应表达式 d--压电系数； F－外作用力 为了使用方便，常用压电应变常数，则有