压电型传感器与测量电路概要PPT学习教案

当作用力是静态力（ω=0）时，前置放大器的输入电压为零。原 理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。
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电荷放大器
（1+A）CF>>（Ca+Cc+Ci）
Ui Cf
q
Ca
q
Uo
Ra Ri Cc Ci
Ucf=Ui-（-A×Ui）=Ui×（1+A）; Q=Qa+Qc+Qi+Qf=Ui×（Ca+Cc+Ci+（1+A）Cf）
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1. 一阶RC低通滤波器(无源)
传递函数：
1
A uO jC ui R 1 jC
1
1 jRC
1 1 j
H
+
+
+R u
i
+
C
u o
-
-
+
+
截止频率：
H
1 RC
|A|
1
0.707
幅频特性：
A
1
0
1 ( )2 H
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H 截止频率
1. 一阶RC高通滤波器(无源) 传递函数：
第36页共69页第37页共69页可由低通和高通串联得到通带测评通带通带测评通带通带测评阻带高通截止频率必须满足低通滤波器高通滤波器第38页共69页可由低通和高通并联得到必须满足通带测评通带通带测评通带通带测评阻带通带测评带通滤波带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过号通过其它频段的信号滤除其它频段的信号滤除
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图 2 - 6 探 测 桥墩水 下部分 裂纹示 意图
（3）压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量
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三、压电式金属加工切削力测 量
① 如图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力。 ② 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测
量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀 前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过 刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转 换为电信号Q输出。 ③ 电荷的变化便测得切削力的变化。U0=q/cf，q∝kF
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各种滤波器理想的幅频特性
：
（1）低通
（2）高通
|A|
|A|
A0 通
阻
A0 通
阻
0 带 ω带
ω 0 带 ω带
ω
C
C
（1）带通 |A|
（1）带阻 |A|
A0 阻 通 阻
A0 通 阻 通
0
ω C1
ω C2
ω
0
ω C1
ω C2
ω
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三. 有源带通滤波器
可由低通和 高通串联得到
V ui
低 通 滤 波 ω器1
1
1 R1C1
2
1 R2C 2
低通截止频率 高通截止频率
高 通 滤 波 器ω2 uV o
A1 A0
通带
阻带
O
测评
1 阻 碍
A2 A0
通带
阴
阻带
通带
O A
阻
阻碍 碍阴 2
测评
A0 阴
通带
阻带 通带 阻带
O
阻
碍
2测评阻 阴
碍 1阻
碍
必须满足 2 1
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四. 有源带阻滤波器
图 2 - 2 压 电 元件的 连接方 式 （ a ） 相 同极 型端粘 接—— 并联 （ b ） 不同 极性端 粘接— —串联
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两个压电片的 联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C； 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大； 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。 （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2； 而串联接法输出电压大，本身电容小； 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
① 电压放大器 ② 电荷放大器
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（二）压电式传感器的信号调节电路
1. 压电式传感器要求负载电阻RL 必须有很大的数值，才能使测 量误差小到一定数值以内。
2. 常先接入一个高输入阻抗的前 置放大器，然后再接一般的放 大电路及其第它19页电/共69页路。
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量 电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的 泄漏电阻Ra。这样一来，压电传感器在测量系统中的 实际等效电路如图2-5所示。
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4、 压电式测力传感器
① 压电式测力传感器 ② 它用两块晶片作传感元件，被
测力通过传力上盖l使石英晶片 2沿电轴方向受压力作用，由于 正压电效应使石英晶片在电轴 方向上出现电荷，两块晶片是 并联叠加，负电荷由形电极3输 出。 ③ 两片并联可提高其灵敏度。电 荷的变化便测U得0=压q/力cf，的q变∝kF 化。
A uO R ui R 1
jC
C
+
+
U i
R
U O
_
_
RC 高通电路
jRC
1
1 jRC
1 jL
幅频特性：
A
1
1 (L )2
截止频率：
L
1 RC
|A|
1 0.707
0
L
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二.按通带和阻带的相互位置不同分为：
低通滤波器（LPF） 高通滤波器（HPF ） 带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（BEF）
压电型传感器与测量电路概要
会计学
1
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图:正（顺）压电效应示意图
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第3章、压电型传感器与测量电路
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 ，是一种典型的有源传感器。
通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非 电量测量。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
可由低通和高通并联得到 ui
V
必须满足 2 1
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低 通 滤 波 器ω1 高 通 滤 波 器ω2
V uo
A1 A0
通带
阻带
O 测评 1 阻 碍
A2 A0
通带
阴
阻带
通带
阻碍
O阴 A
阻碍
2
测评
A0
阴
通带
通带 阻带 通带
O
测评
1阻
碍
测评阻 2阴
碍
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。
图3-1 压电效应
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十 分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
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二、压电材 料及特性
➢ 压电传感器中的压电元件材料 一般有三类：
① 压电晶体（如石英晶体）； ② 经过极化处理的压电陶瓷； ③ 高分子压电材料；
④ 这种结构的单向力传感器体积 小、质量轻(仅10 g)，固有频 率高（约50～60 kHz)。
图2-11YDS-781压电式 力传感 器1.传 力上盖 ；2.石 英晶片 ；3.电 极；4.底座； 5.电极 引出头 ；6.绝 缘材料
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压电式传感器的应用
压电式测力传感器
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① 当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几 何变形，这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应) 。
② 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机 一电能量的相互转换，如图3-1所示。
F
极化面
+
正压电效应
Q
机械能
压电介质 Q(E) 电能
T(S)
-
F
逆压电效应
(a)
(b)
5、压电式玻璃破碎报警器
① ② ③
粘贴 位置
压 电 式 玻 璃 破碎报 警器。 使 用 时 ， 用 瞬干胶 将其粘 贴在玻 璃上。 当玻璃 遭暴力 打碎的 瞬间， 压电薄 膜感受 到剧烈 振动， 表面产 生电荷 Q ，在 两个输 出引脚 之间产 生窄脉 冲电压 输出， 产生报 警信号 。 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 。
3.1 压电效应及压电材料
3.1.1、压电效应及压电材料 某些离子型晶体电介质，当沿着一定方向对其施力而使
晶体变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上 便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带 电状态，这种现象称压电效应。
当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人 们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
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三、压电式传感器的应用
1、加速度传感器:
① 压电加速度传感器，
② 如右图所示。使用时，传感器固定在被测
物体上，感受该物体的振动，惯性质量块
产生惯性力，使压电元件产生变形。
③ 压电元件的变形而产生的电荷与加速度成 3
正比。U0=q/cf，q∝ka
引出线
1 质量块
m
2 压电晶片
4 壳体
② 若在同一切片上, 沿轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大 小为： qy=d12fya/b
式中:d12——y轴方向受力的压电系数, d12=-d11; a、 b——晶体切片长度和厚度。
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；
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2、等效电路及信 号变换电路
Ca
Ua
Ra Cc Ri
Ci
(a)
Q
Ca
Ra
Cc Ri
Ci
(b)
图2-5 压电传感器的实际等效电 路
（a）电压第2源0页/共69页（b）电流源
（1）电压放大器
Ca：传感器的电容； Ra：传感器的漏电阻； Cc：连接电缆的等效电容； Ri：放大器的输入电阻； Ci：放大器的输入电容；
R Ra Ri Ra Ri
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压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不 同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变 形等几种形式，如图2-3所示。目前最常使用的是厚度变形 的压缩式和剪切变形的剪切式两种。
图 2 - 3 压 电 元件加 载方式
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2.2、压电式传感器的测量电路
压电式传感器的输出可以 是电压信号，也可以是电 荷信号。
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5、 BS—D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎
的一种传感器,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。传感器的 最小输出电压为100mV,最大输出电压为100V,内阻 抗为15～20kΩ。
第32页/来滤除信号中无用的频率成 分，例如，有一个较低频率的信号，其中包 含一些较高频率成分的干扰。
3、压电材料的加载结构 由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。 ① 图2-2 (a)是两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属
电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上 看，这是并联接法，类似两个电容的并联。 ② 图2-2 (b)是两压电片不同极性端粘结在一起，从电路上看是 串联的。
① 石英的晶体结构为六方晶体系，化学式 为SiO2。
② 定义： x：垂直此轴压电效应最强。称为电 轴。 y ：在电场作用下变形最大，称为 机械轴。 z ：无压电效应，中心轴，也称光 轴。
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① 当在轴x方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11——x方向受力的压电系数; Fx——作用力
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z
o
x
y
x
z z
b
o
o
y
x
cy
a
(a)
(b)
(c)
图: 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
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现象：
（a）是在X轴方向受压力，（b）是在X轴方向受拉力，（c）是在Y轴方向受压力，（d）是在Y轴方向受拉力
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石英晶体的压电机理分析
C Ca Cc C i
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电压放大器
Ca
Ca
压电式传感器在与电压放大
器配合使用时，连接电缆不
能太长。电缆长，电缆电容
Cc就大，电缆电容增大必然
使传感器的电压灵敏度降低
。
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若 压 电 元 件 受 正 弦 力 F=Fmsinωt 的 作 用 ， 则 其 电压为:
式中： Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca； d——压电系数。
③
将 压 电 元 件 受震动 产生电 荷经电 荷放大 器进行 放大后 送入数 据记录 仪，再 将记录 下的信 号输入 频谱分 析设备 ，经频 谱分析 后就可 判定桥 墩有无 缺陷。
④
图 2-6(a)为 探 测 示 意 图。 没有缺 陷的桥 墩为一 坚固整 体，加 速度响 应曲线 为单峰 ，如图 2-6 (b)所 示。 若桥墩 有缺陷 ，激励 后的加 速度响 应曲线 将显示 出双峰 或多峰 ，如图 3-6 (c)所 示。
压电元件的等效电路； 压电式传感器的信号调节电路；
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1. 压电元件的 等效电路
Ca
s h
r0s h
U Q Ca
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2.压电式传感器的等效电路
(a)、等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路； (b) 、等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路；
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Ui Cf
① 压电加速度传感器可以
q
做得很小，重量很轻，
Uo
Ca Ra Ri Cc Ci
故对被测机构的影响就 小。
② 压电加速度传感器的频
率范围广、动态范围宽
、灵敏度高、应用较为
第25页/共69页 广泛。
①
图 2-6所 示 为 用 压电 式加速 度传感 器探测 桥墩水 下部位 裂纹。
②
通 过 放 电 炮 的方式 使水箱 振动(激 振器)， 桥墩 将承受 垂直方 向的激 励，用 压电式 加速度 传感器 测量桥 墩的响 应，压 电元件 受震动 产生电 荷。