第七章节压电式传感器(561KB).pptVIP

7.3 7.4 等效电路与测量电路 一、 压电式传感器的等效电路 压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘体，因此可以构成一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为： ＋＋＋＋ ―――― q q 电极 压电晶体 Ca (b) (a) 压电传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为 因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。 q Ca Ua Ua＝q/ Ca q ＝UaCa Ca （a）电压等效电路 （b）电荷等效电路 压电传感器等效原理 压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。 电压源 压电传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联。 (a)电荷源 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 反馈电容上电荷为： 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。 7.5 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。 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 ，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦与试件的加速度成正比。 运动方向 2 1 3 4 5 纵向效应型加速度 传感器的截面图 其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。 q＝d33F＝d33ma 此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。 连接方式：图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C?为单片电容C的两倍，但输出电压U?等于单片电压U，极板上电荷量q?为单片电荷量q的两倍，即 图(b)为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q?等于单 片电荷q，而输出电压U?为单片电压U的二倍，总电容C?为单片电容C的一半，即 + + － － (a)并联 (b)串联 叠层式压电元件 + + － + + － － 并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。 串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。 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