第3讲 压电式传感器

传感器原理及应用大庆石油学院传感器原理及应用主讲人：任爽集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用1.1压电效应某些物质（晶体、陶瓷）：当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感原理及应用压电元件正、负压电效应机械能电能集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用按特定方向切片ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX(a)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系XY(b)ZYX1.2.1压电晶体1.压电晶体及压电效应集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)++---YXXY+(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX0+++---P1P2P3(c)FX0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－2.电偶极矩分析集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：•当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；•当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；•当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；123PPP123123,,()0PPPPPP123123,,()0PPPPPP归纳：作用力与电荷的关系（a）yxzOxazybc（b）若从晶体上沿y方向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx成正比。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用•压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数•在X轴方向施力时,产生电荷大小为:σ1为X方向应力•在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:σ2为Y方向应力•压电系数d11=-d12为常数a、b是晶体切片几何尺寸(厚、长)QdF111xqd122ybqda关系式：对压电材料特性要求①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用1.2.2压电陶瓷集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用陶瓷压电逆效应集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用1.3压电元件结构形式压电元件结构形式+_U’_++++++++++++___________++++++++++++____________电路串联+_+_U’电路并联+++++++++++_______________________+++++++++++C串=C/2，U串=2U，Q串=QC并=2C，U并=U，Q并=2Q压电传感器等效电路压电元件电荷Q的开路电压U可等效为:电压源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。aQUCaSCd等效电容压电传感器等效电路电压灵敏度电荷灵敏度它们之间的关系uUKFqQKFquaKKCquaKKC等效电压源等效电流源ididRRRRR前置放大器的作用：（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器1、电压放大器tsinFFm)(1icemiCCCRRFdU前置放大器输入端电压幅值：)(2iceCCCRarctg输入电压与作用力间的相位差：前置放大器输入端电压：)(1CCRjRjFde时，1)(222iceCCCRicemiCCCFdU理想211)(11)(11iceCCCR)(iceCCCR时间常数222)(1)(iceiceiiCCCRCCCRUU理想222)(1icemiCCCRRFdU12arctg)(2iceCCCRarctg输入电压与作用力间的相位差：211)(1||||理想iiUU1)(11iceCCCR)(iceCCCR时间常数集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用讨论：01）（时）（31,31211,331理想时）（iiUU0适合测量高频交变力由运算放大器构成的电压比例放大器ffCqUU02、电荷放大器ficeCACCCAqU)1(0fCqfCqUK10灵敏度与电缆电容无关测量电路（2）电荷放大器可见：电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用2.1基本原理1、铁磁性物质磁化过程磁致伸缩:某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。3.铁磁材料的压磁应变灵敏度llSl//式中：εμ―磁导率的相对变化；εl―在机械力的作用下铁磁物质的相对变形集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用2.1基本原理4.压磁效应:铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象称为压磁效应。压磁应力灵敏度单位机械应力,所引起的磁导率相对变化/S压磁传感器:用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩)eZRPm或变换链集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用1．用一个方向磁导率的变化的传感器2．用两个方向上磁导率的改变集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用１．用一个方向磁导率的变化集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用(a)(b):测量压力用的传感器与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达到电感值的改变。PKKL21式中:L-传感器的电感；K1K2-与激磁电流大小有关的系数，在一定条件下可认为是近似的常数。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用(e)(d):与互感形传感器相似Pu)P(KWWE1122式中:E2——传感器输出感生电势；u1——原端励磁电压；W1，W2—一次和二次绕组的匝数；K(P)——系数，它与激磁电流频率及幅值有关同时也与被测力P有关集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用(c):压磁应变片在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用