1、關(guān)于壓電式力傳感器1第1頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四2 壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下,在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等特點(diǎn)。概述第2頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四3壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電警號(hào)壓電加速度計(jì)第3頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四4 某些電介質(zhì)（晶體

2、） 當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變；一、壓電效應(yīng) 這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)第4頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四5石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。第5頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四6壓電元件機(jī)械能電能壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)

3、”。壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)第6頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四7第7頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四8超聲波傳感器第8頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四91、石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZYX石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時(shí)垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。第9頁，共71

4、頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四10(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+ 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 第10頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四11晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3) Y=0(P1+P2+P3 ) Z=0即在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、

5、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30（P1+P2+P3）X1，那么，輸入電壓幅值Uim為 上式表明理想情況時(shí)前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與無關(guān)，0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 這表明在測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，也就是測(cè)量電路輸出與被測(cè)信號(hào)頻率無關(guān)。第35頁，共71頁，2022年，5月20

6、日，2點(diǎn)31分，星期四36 當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。第36頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四37當(dāng)被測(cè)動(dòng)態(tài)量變化緩慢，而測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)不大時(shí)，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)。但是靠增大測(cè)量回路的電容來提高時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得因?yàn)镽1，故上式可以近似為可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。

7、其輸入內(nèi)阻越大，測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。第37頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四38因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測(cè)量誤差。 第38頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四39例：一只壓電式加速度計(jì)，供它專用的電纜長(zhǎng)度為1.2m，電纜電容為100pF，壓電片本身電容為1000pF。出廠時(shí)標(biāo)定的電壓靈敏度為100v/g(g為重力加速度），若使用中改用另一根長(zhǎng)為2.9m的電纜，其電容量為300pF，問電壓靈敏度會(huì)不會(huì)改變，如何改變

8、？UaCcCaU0將壓電式加速度計(jì)等效為電壓源，不考慮其泄露電阻，其等效電路如圖所示。輸出電壓為：電纜電容改變?yōu)镃c時(shí)，輸出電壓變?yōu)椋簤弘娛郊铀俣扔?jì)的電壓靈敏度與輸出電壓成正比，所以更換電纜后，靈敏度變?yōu)椋旱?9頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四40電荷放大器由一個(gè)反饋電容C f和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。 2. 電荷放大器若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋電容CF。由圖可知i的表達(dá)式為：U0(a)電荷放大器電路qCaUiCcCi第40頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四41根據(jù)該式畫出等

9、效電路圖(b)反饋電容CF等效到A0的輸入端時(shí)，電容CF將增大(1A0)倍。所以圖中C=(1 A0)CF；這就是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果。(a)電荷放大器電路qCaUiCcCiU0(b)電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U0第41頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四42運(yùn)放輸入電壓運(yùn)算放大器輸出端電壓為：(b)電荷放大器等效電路qCaUiCcCi C U0通常A=104108 ,（A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，則上式可近似為：第42頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四43說明電荷放大器輸出電壓只與電荷q、反饋電容Cf有關(guān)，與放大倍數(shù)及電纜電

10、容無關(guān),當(dāng)A0足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長(zhǎng)短將不影響電荷放大器的輸出，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。反饋電容Cf為常數(shù)時(shí)，輸出電壓與電荷q成正比。反饋電容增大，輸出電壓將減小，所以應(yīng)選擇合適的反饋電容Cf值。CF一般取值100-104pF。第43頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四44七、壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計(jì)（四）集成壓電式傳感器（五）壓電傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用（六）超聲應(yīng)用第44頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四45 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感

11、受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運(yùn)動(dòng)方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖（一） 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)：縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，縱向效應(yīng)是最常見的。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極1引出。qd33Fd33ma第45頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四46連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負(fù)極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，

12、極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍，即圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，而輸出電壓U為單片電壓U的二倍，總電容C為單片電容C的一半，即+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件+并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。第46頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四47（二） 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測(cè)壓傳感器有

13、各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強(qiáng)， ；S膜片的有效面積。123456p壓電式測(cè)壓傳感器原理圖第47頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四48 測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： 因?yàn)?，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度第48頁，共71頁，2

14、022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四49壓磁式傳感器基本原理傳感器的形式參數(shù)選取的基本原則壓磁傳感器的誤差下一頁返 回第49頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四50基本原理壓磁效應(yīng): 某些鐵磁物質(zhì)在外界機(jī)械力的作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率的改變。磁致伸縮: 某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，有些伸長(zhǎng)，有些則壓縮。上一頁下一頁返 回第50頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四51磁致伸縮正磁致伸縮: 當(dāng)某些材料受拉時(shí)，在受力方向上磁導(dǎo)率增高，而在與作用力相垂直的方向上磁導(dǎo)率降低；負(fù)磁致伸縮: 某些材料受拉時(shí)，在受力方向上磁導(dǎo)率降低，

15、而在與作用力相垂直的方向上磁導(dǎo)率增高只有在一定條件下(如磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定)壓磁效應(yīng)才有單值特性，但不是線性關(guān)系 上一頁下一頁返 回第51頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四52鐵磁材料的壓磁應(yīng)變靈敏度表示方法與應(yīng)變靈敏度系數(shù)表示方法相似式中, 磁導(dǎo)率的相對(duì)變化； l 在機(jī)械力的作用下鐵磁物質(zhì)的相對(duì)變形上一頁下一頁返 回第52頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四53工業(yè)純鐵的和l的關(guān)系 上一頁下一頁返 回第53頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四54壓磁應(yīng)力靈敏度單位機(jī)械應(yīng)力, 所引起的磁導(dǎo)率相對(duì)變化 壓磁傳感器: 用來測(cè)量壓力、拉力、彎矩

16、、扭轉(zhuǎn)力(或力矩) 變換鏈 上一頁下一頁返 回第54頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四55傳感器的形式1用一個(gè)方向磁導(dǎo)率的變化的傳感器2 用兩個(gè)方向上磁導(dǎo)率的改變3 維捷曼效應(yīng)上一頁下一頁返 回第55頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四56用一個(gè)方向磁導(dǎo)率的變化上一頁下一頁返 回第56頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四57(a) (b) : 測(cè)量壓力P用的傳感器與電感傳感器相似，它通過改變磁導(dǎo)率來達(dá)到電感值的改變。 式中, L傳感器的電感； K1 K2與激磁電流大小有關(guān)的系數(shù)， 在一定條件下可認(rèn)為是近似的常數(shù)。 上一頁下一頁返 回

17、第57頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四58(e)(d) : 與互感形傳感器相似 式中, E2 傳感器輸出感生電勢(shì)； u1 原端勵(lì)磁電壓； W1，W2 一次和二次繞組的匝數(shù)； K(P) 系數(shù)，它與激磁電流頻率及幅值有關(guān) 同時(shí)也與被測(cè)力P有關(guān) 上一頁下一頁返 回第58頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四59(c): 壓磁應(yīng)變片 在日字形鐵芯凸起在外的中間鐵舌上繞上繞組，使用時(shí)將它粘在被測(cè)應(yīng)變的工件表面，使其整體與被測(cè)工件同時(shí)發(fā)生變形，從而引起鐵芯中磁導(dǎo)率改變、導(dǎo)致電感值改變。這種結(jié)構(gòu)也可在鐵舌上繞兩個(gè)繞組做成變壓器形傳感器，常稱為互感型壓磁應(yīng)變片。上一頁

18、下一頁返 回第59頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四602 用兩個(gè)方向上磁導(dǎo)率的改變（a）傳感器結(jié)構(gòu)（b）傳感器在沒受外力 E2=0 （c）傳感器受拉力 E20（d）傳感器受壓力 E20 相位與受拉力相差180常用來測(cè)量幾萬牛頓的壓力，耐過載能力強(qiáng)，線性度3%-5%。上一頁下一頁返 回第60頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四613 維捷曼效應(yīng)在卷捻棒狀鐵磁物質(zhì)時(shí)，在其上將出現(xiàn)一個(gè)按著螺旋形分布的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中磁導(dǎo)率沿螺旋方向增加 。（a）逆“維捷曼”效應(yīng):在一根旋轉(zhuǎn)的鐵磁軸中若流有電流，則在軸中不僅有環(huán)形磁通，還有軸向磁通存在。(b)順“維捷曼”

19、效應(yīng):帶有電流的鐵磁軸放在磁場(chǎng)中，則此軸將出現(xiàn)扭曲變形（稱為）。上一頁下一頁返 回第61頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四62維捷曼效應(yīng)測(cè)量非電量的原理 （a）（b）是用來測(cè)量轉(zhuǎn)矩M圖（c）是用來測(cè)量氣體壓力的 上一頁下一頁返 回第62頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四63圖（b）將激磁電壓加在軸上當(dāng)轉(zhuǎn)矩M 0，產(chǎn)生的電勢(shì) 當(dāng) 時(shí)，上式有效。 上一頁下一頁返 回第63頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四64參數(shù)選取的基本原則鐵芯尺寸主要由選用材料允許應(yīng)力的限制。而磁場(chǎng)強(qiáng)度主要是影響傳感器的靈敏度。 Z/Z關(guān)系曲線 和Z/Z的最大值均出現(xiàn)在H值很相近的位置上，因此傳感器的設(shè)計(jì)磁場(chǎng)強(qiáng)度可近似的取在圖中磁導(dǎo)率最大值的一點(diǎn)附近，即取 上一頁下一頁返 回第64頁，共71頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)31分，星期四65表 1名 稱材 料坡 莫 合 金45%Ni0.94%0.02變 壓 器 鋼4.5%Si0.84%0.2工 業(yè) 純 鐵0.81%0.15上一頁下一頁返 回第65頁，共