自动检测与转换技术-第八章 - 副本.ppt

* * 三、压电元件 1、等效电路 压电元件的两电极间形成一个电容 e—压电陶瓷或石英晶体的介电常数 s—极板面积 h—压电元件厚度 当受外力作用时，产生电荷Q 电荷等效： Q＝CaUa 电压等效： * * ↑ Q Ca Q=CaUa ↑ Ua 电荷等效电路 电压等效电路 当不受外力时 Q＝0，Ua＝0 * * ＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－ 1）串联 串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。 2）并联 并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。 ＋＋＋＋ －－－－ －－－－ ＋＋＋＋ ＋＋＋＋ －－－－ 2、压电元件的串并联 多片压电元件的组合 * 四、测量电路 1、压电传感的等效电路 测量电路需接一个高输入阻抗的前置放大电路。该放大器有电压放大器和电荷放大器。 实际等效电路 压电元件的Ca,Ra, 电缆的Cc 前置放大器的Ri,Ci * * 可简化为 定义电流 2、电压放大器 * * Z1＝R ∥C＝ 电压放大增益 输出电压 * * ：电荷灵敏度 d 因为 所以转换灵敏度 具有一阶高通滤波特性 * * 3、电荷放大器 Z2＝RF ∥CF＝ 减小零漂 理想运放条件下，R和C两端电压均为0，I 全部流过Z2 * * 输出电压 固有频率 也具有一阶高通滤波特性 灵敏度只与CF有关 多片压电元件的组合 压电式传感器应用举例 1．压电式压力传感器 被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，便使晶片产生电荷，负电荷由片形电极（负极）输出，正电荷与上盖和底座连接。 2．压电式加速度传感器 当加速度传感器与被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，惯性力是加速度的函数，F=ma惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为 压电式加速度传感器结构图 3．用压电式传感器测表面粗糙程度 由驱动器拖动传感器触针在工件表面以恒速滑行，工件表面的起伏不平使触针上下移动，使压电晶片产生变形，压电晶片表面就会出现电荷，由引线输出的电信号与触针上下移动量成正比。 * * 本节小结： 用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗？ 为什么压电式传感器多采用电荷放大器？ 压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？ * * 结束 第8章 压电式传感器 压电效应 ：对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。 逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会产生变形，当外电场撤离时，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应 。 * * 第8章 压电式传感器 ★ 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象 ★ 去掉外力后，电荷消失后状态复原 ★ 作用力相反，电荷极性也发生变化 逆压电效应： 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。（电致伸缩效应） 正压电效应： * * 2、压电效应方程 应力 T1、T2、T3 轴向正应力 （拉应力为正，压应力为负） T4、T5、T6 绕轴切应力 (逆时针方向为正) σ1、 σ2、 σ3 在垂直于x y z轴表面上的电荷密度 * * 单一应力作用下的压电效应 dij为j方向应力引起i面产生的电荷时的压电常数 单位：库仑/牛顿 Tj －单位为帕 σi －库仑/米2　 * * 纵向压电效应 横向压电效应 面切压电效应 剪切压电效应 i=j i≠j j －i＝3 j － i≠ 3 应力⊥电荷面 应力∥电荷面 应力面 ∥电荷面 应力面 ⊥电荷面 Ti为轴向应力（T1~T3） Ti为切向应力（T4~T6） + - - + + - + - 单一作用力下的压电效应有以下四种类型 * * 在多应力下的压电效应 电荷产生面i上的总电荷密度 dij的可能值 * * 3、力——电荷转换公式 电荷产生面积Si 电荷量Qi 在j方向受力面积Sj 在j方向受外力Fj * * 对于纵向压电效应 对于横向压电效应 i≠j * * 二、压电材料 类型：压电晶体(单晶体)如石英晶体 　　　压电陶瓷(多晶陶瓷) 　　　新型压电材料（压电半导体和有机高分子） 1、石英晶体材料 特点： 1）晶体各个方向的特性不相同 　　　 2）Z轴方向没有压电效应 　　　 3）X轴面压电效应最强 　　 　4）Y轴方向机械变形最大 * * 石英晶体