第6章 压电式传感器 12.01.2015
GMES 2008
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第13讲
压电效应
目录
工作原理
测量电路
典型应用
压电效应
压电材料
压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形 时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现 象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转 变为电能。 正压电效应：可制成压电式传感器，典型的有源传感器 逆压电效应：可制成电激励的制动器(执行器) 特点： 结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、 振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电 量转换为电量。
(a) 厚度变形 (b) 长度变形 (c) 体积变形
＋
(d) 厚度剪切变形
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第13讲
压电式力传感器
目录
工作原理
利用纵向压电效应的厚度变形，采用机械串联、电气并联 的两片压电片。 压电式单向测力传感器结构如下：
f
上盖 绝缘套
测量电路 典型应用
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第13讲
压电材料
目录
工作原理
自然界中大多数晶体具有压电效应，石英晶体(单晶体)、 压电陶瓷(多晶体)、压电高分子材料等压电效应较强。 以石英晶体为例 Z轴：纵向轴，通过锥顶，无压电效应 X轴：电轴，通过棱线，纵向压电效应 Y轴：机械轴，横向压电效应
典型应用
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
－K
1.电荷放大器
Rf Cf
Rf Cf －K
测量电路
Q Ca Ra Cc Ri Ci Ui U0 Q C Ui U0
典型应用
(a ) 电荷等效电路 (b ) 简化的电荷等效电路
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
C f (1 K )C f
Ca
C K K
Ra U Q U i C C C C a c i f U o K U i
Cc
K Q U0 U Uo Ca Cc Ci (1 K )C f
Ri Ci Ui
y
++++++++
-----------
-----------
++++++++
测量电路
(a)X轴向受压力
(b)X轴向受拉力
(c)Y轴向受压力
(d)Y轴向受拉力
典型应用
qx d11 f x
a a q y d12 f y d11 f y b b
压电效应
压电材料
在X/Y方向受力后，在yz平面上产生电荷qx/qy，极性相反
(b ) 简化的电荷等效电路
C K K
测量电路
C Cc Ci
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
U
R
Ui
U0
典型应用
受正弦 力，则
Z＝
( c ) 电压等效电路
(d ) 简化的电压等效电路
Q d f d Fm sin wt
U
Q d Fm sin wt U m sin wt Ca Ca
z z b o z
测量电路
典型应用
压电效应
压电材料
o x y x
o
y
x a
c
y
(a)晶体外形
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(b)轴定义
(c)切割晶片
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第13讲
压电材料
目录
x
fx
-----------
fx
++++++++
工作原理
o
fy
+Leabharlann ++++++
fy
-----------
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
2.电压放大器
Uim d Fm wR 1 w2 R2 (Ca Cc Ci )2
2 2
U im U im
测量电路 1 w R (Ca Cc Ci ) U im 典型应用
测量电路时间常数 一般频率比大于3，高频响应特性好
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2
arctan
w w1
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第13讲
压电元件的连接
目录
工作原理
通常两件粘贴在一起，提高输出灵敏度，力为串联，每片 受力相同。
粘结剂 ＋
＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － － －
测量电路
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第13讲
压电元件的变形
目录
工作原理
压电式传感器的敏感元件——压电元件在受力时将发生变 形，按其受力及变形方式的不同，一般可分为厚度变形、 长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。
f
测量电路
f
－ ＋
典型应用
f
－ ＋
f f
－
f
f
＋
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
－
f f f
实际使用时，等效电路 更为复杂
－K
Rf Cf
Rf Cf －K
测量电路
Q
Ca
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
Q
C
Ui
U0
典型应用
(a ) 电荷等效电路 (b ) 简化的电荷等效电路
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
U
Ca
C K K
Ra
Cc
Ri
Ci
Ui
U0
U
R
Ui
U0
( c ) 电压等效电路
(d ) 简化的电压等效电路
dFm Ca Cc Ci
电压幅值比和相角 与频率比关系曲线
R(Ca Cc Ci ) U im 1 ' U im 1 2 R 2 (Ca Cc Ci ) 1 ( 1 ) 2
1
1 1 R(Ca Cc Ci )
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
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第13讲
测量电路
目录
工作原理
由于压电式传感器本身内阻很高，输出能量较小，因此其 测量电路部分通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。
测量电路
前置放大器作用：把传感器高输入阻抗变换成低输出阻抗； 对传感器微弱信号进行放大。 压电式传感器可以输出电压信号或电荷信号，因此，前置 放大器也有电荷放大器和电压放大器两种。
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第13讲
等效电路
目录
工作原理
测量电路
根据压电元件的工作原理，压电传感器等效为一个电容器， 正负电荷聚集的两个表面相当于电容器的两个极板，极板 件间的物质相当于一种介质，其电容量为Ca 当压电元件受外力作用时，其两表面产生等量的正负电荷， 电量为Q，此时压电元件的开路电压为U
压电式力传 感器
压电式加速 度传感器
石英晶片
电极
基座
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第13讲
压电式加速度传感器
目录
工作原理
弹簧
整个组件放置在一个厚基座的金属壳体中
壳体 质量块 压电片
测量电路 典型应用
输出端
压电式力传 感器
压电式加速 度传感器
基座
螺栓
如果要测量试件的振动速度或位移，可考虑在放大器后加 入适当地积分电路。
－
＋ ＋ ＋ － － － － － － ＋ ＋ ＋
＋
典型应用
粘结剂
等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
－ (a) 同极性粘结 (b) 不同极性粘结
并联：输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适合慢变 信号且以电荷作输出场合； 串联：输出电压大，本身电容小，适合电压作输出且测量 电路输入阻抗高场合。
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等效电路
测量电路 元件连接 元件变形
1 1 R Z RC jwCa jwCa 1 jwRC
Z RC U U i m Z
jwR jwR d F m 1 jwRC a C 1 jwR(C a Cc Ci ) d Fm wR Uim arctan wR Ca Cc Ci 2 2 2 1 w R (Ca Cc Ci ) 2 d F U i m
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第13讲
压电效应
目录
工作原理
测量电路
典型应用
压电效应