压电式传感器的测量电路

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压电式传感器-测量技术基础

压电式传感器-测量技术基础

网络化
随着物联网技术的发展,压电式传感器 正与网络技术深度融合,实现远程监控 、数据传输等功能,提高传感器的工作 效率和可维护性。
VS
物联网应用
压电式传感器作为物联网系统中的感知层 器件,能够实时感知物理世界的各种信息 ,为物联网在智能制造、智慧城市等领域 的应用提供有力支持。
THANKS
感谢观看
应。压电式传感器利用材料的压电效应,将压力信号转换为电信号。
02 03
压电元件
压电元件是压电式传感器的核心部分,通常由压电陶瓷或高分子聚合物 等材料制成。当压电元件受到压力作用时,其内部电荷分布会发生变化, 从而产生电压输出。
测量电路
压电式传感器需要与测量电路配合使用,以将输出的电压信号转换为可 读的数据。测量电路通常包括放大器和滤波器等组件,以优化传感器的 性能和稳定性。
信号数字化处理
信号数字化处理
为了便于计算机处理和传输,压 电式传感器的模拟信号需要经过 数字化处理转换为数字信号。
采样率
采样率是数字化处理中的关键参 数,采样率过低可能导致信号失 真,过高则可能引入额外的噪声。
量化等级
量化等级决定了数字信号的精度, 应根据测量要求选择合适的量化 等级。
05
压电式传感器的误差与校准
压电式传感器-测量技术基础
• 压电式传感器概述 • 压电式传感器的类型与结构 • 压电式传感器的测量电路 • 压电式传感器的信号处理技术
• 压电式传感器的误差与校准 • 压电式传感器的发展趋势与展望
01
压电式传感器概述
压电式传感器的工作原理
01
压电效应
某些材料在受到外力作用时,会在内部产生电场,这种现象称为压电效
压电式传感器的应用领域

压电式传感器的测量电路

压电式传感器的测量电路
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列), 它是钛酸钡(BaTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的Pb(ZrTi) O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由
铌镁酸铅(Pb(Mg13 ·Nb
2 3
)O3)、
锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图 6 - 3(a)所示。
因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正 负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。
式中: Uo——放大器输出电压;
UCf——反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
U0
Ca
Aq Cc Ci
通常A=104~106, 因此若满足(1+A)Cf 式(6 - 2)可表示为
q
Uo ≈ -
cf
<<Ca+Cc+Ci时,
由式(6 - 13)可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电 容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图6 3(c)所示, 与图6 - 3(b)情况相似, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向 上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所 产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩 矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生 压电效应。

压 电 式 传 感 器

压 电 式 传 感 器
• 串 联 时 , 输 出 总 电 荷 q′ 等 于 单 片 上 的 电 荷 , 输 出 电 压 为 单 片 电 压 的 2 倍 , 总 电 容 应 为单 片 的 1/2。 即
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6.2压电式传感 器的等效电路和测量 电路
• 由此可见,并连接法虽然输出电荷大,但由于本身电 容 亦 大 , 故 时 间 常 数 大 , 只 适 宜 测量 慢 变 化 信 号 , 并 以 电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高,本身电 容 小 , 适 宜 于 以 电压 输 出 的 信 号 和 测 量 电 路 输 入 阻 抗 很 高的情况。
• 电 荷 放 大 器 是 一 个 有 反 馈 电 容 C f 的 高 增 益 运算 放 大 器 。 当 放 大 器 开 环 增 益 A 和 输 入 电 阻 R i 、反 馈 电 阻 R f ( 用 于 防 止 放 大 器 直 流 饱 和 ) 相 当 大时 , 放 大 器 的 输 出 电 压 U o 正 比 于 输 入 电 荷 q , 即当 A 足 够 大 时 , 则 有
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6.1压 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理
• 6.1.2 压电材料
• 自然界中的大多数晶体具有压电效应,但压电效应十 分 明 显 的 不 多 。 天 然 形 成 的 石 英 晶体 、 人 工 制 造 的 压 电 陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良 的压电材料。
• 具有压电效应的物质很多,可分为三大类:一是压电 晶 体 ( 单 晶 ) , 它 包 括 压 电 石 英 晶体 和 其 他 单 晶 ; 二 是 压电陶瓷(多晶半导瓷);三是新型压电材料,其中 有 压 电 半 导 体 和 有机 高 分 子 压 电 材 料 两 种 。
• 介 电 常 数 ——— 一 定 形 状 和 尺 寸 的 压 电 元 件 , 固 有 电 容 与 介 电 常 数 有 关 , 而 固 有 频 率 又影 响 着 压 电 传 感 器 的 下 限。

压电传感器等效电路

压电传感器等效电路

C Cc Ci
(3-7)
压电传感器的开路电压U q ,若压电元件沿电轴方向施加
Ce
交力 F Fm sin t ,则产生的电荷和电压均按正弦规律变
化,其电压为 U q dF dFm sin t Ce Ce Ce
(3-8)
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
电压的幅值
若从石英晶体上沿 y方向切下一块如图3-1(c)所示的晶体片, 当在电轴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 d11Fx
(3-1)
式中:d11——x轴方向受力的压电系数,单位C/N;
Fx ——作用力,单位N。
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第一节 压电效应和压电材料
若在同一切片上,沿机械轴y方向加作用力Fy,则仍在与x轴
力的测量,而且相当理想。
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
图3-11(a)给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高
的输入阻抗(>>1000MΩ)和很低的输出阻抗
(<100Ω),因此使用该阻抗变换器可将高内阻的压电传
感器与一般放大器匹配。BG1与MOS场效应管,作阻抗变换, R3>>100Ω;BG2管对输入端形成负反馈,以进一步提高 输入阻抗。 R4既是BG1的源极接地电阻,也是BG2的负载 电阻, R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG1的输入 端,使A点电位提高,保证较高的交流输入阻抗。R4由BG1 构成的输入级,其输入阻抗为
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
三、压电传感器的测量电路
为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度,则要求负载 电阻RL要大到一定数值,才能使晶体片上的漏电流相应变小, 因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放 大器,然后再接入一般的放大器。其目的:一是放大传感器 输出的微弱信号,二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。

12第七章 压电式传感器7-2解析

12第七章 压电式传感器7-2解析
(6-14)
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此,测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后,在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
管道上A、B两点放两只压电传感器,由从两个传
感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号
所用时间差可计算出LA或LB。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=(LA - LB )/v
又L=LA +LB ,所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为:
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出
一定的电压,其大小为
q Ua Ca
因此,压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路,如图 (b)。
Ua (b)
( ω=0 )时,前置放大器的输出电压等于
零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉,所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时,放大器输入 电压 Uim 如式( 7-10 )所示,式中 Cc 为连 接电缆电容,当电缆长度改变时,Cc也将 改变,因而 Uim 也随之变化。因此,压电
100~104pF。

3.2压电式压力传感器解析

3.2压电式压力传感器解析
32
§7.6 压电传感器的应用
地 震 的 巨 大 威 力
33
§7.6 压电传感器的应用
南海Ms7.2地震波形记录图
34
§7.6 压电传感器的应用 3) 压电式振动加速度传感器结构及外形
横向振动测振器
纵向振动测振器
35
4火炮堂内压力测试
发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小,不仅决定着炮弹的飞行速 度,而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。
12
二、压电材料 1、种类:
石英晶体:如石英等; 压电陶瓷:如钛酸钡、锆钛酸铅等; 压电半导体:如硫化锌、碲化镉等; 高分子压电材料:聚二氟乙烯等。 2、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: 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: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环境适应性强: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; 13 ⑤时间稳定性:要求压电性能不随时间变化。
从作用力看,元件是串接的,因而每片受到的作用力相同,产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。
图a)从电路上看,这是并联接法, 类似两个电容的并联。所以, 外力作用下正负电极上的 电荷量增加了1倍,电容量也增加了1倍,输 出电压与单片时相同。 图b)从电路上看是串联的,两压电片中间粘接处正负电荷中和, 上、 下极板的电荷量与单片时相同,总电容量为单片的一半,输出电 压增大了1倍。
3. 交通监测
将高分子压电电 缆埋在公路上,可以 获取车型分类信息 (包括轴数、轴距、 轮距、单双轮胎)、 车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停 车区域监控、交通数 据信息采集(道路监 控)及机场滑行道等。

压电式传感器的测量电路

压电式传感器的测量电路

传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器(阻抗变换器) 电压放大器(阻抗变换器)
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 (a) 放大器电路; (b) 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.3 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱, 由于压电式传感器的输出电信号很微弱,通常先把传 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中, 感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过 阻抗交换以后, 阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信号 输入到指示仪表或记录器中。(其中,测量电路的关键 其中, 输入到指示仪表或记录器中。 其中 在于高阻抗输入的前置放大器。) 在于高阻抗输入的前置放大器。)
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好, 压电式传感器在测量低压力时线性度不好,主要 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此, 是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为此 , 在力传递系统中加入预加力,称预载。 在力传递系统中加入预加力,称预载。这除了消除低 压力使用中的非线性外, 压力使用中的非线性外,还可以消除传感器内外接触 表面的间隙, 提高刚度。 特别是,它只有在加预载 表面的间隙 , 提高刚度 。 特别是, 后才能用压电传感器测量拉力和拉、 后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力 和扭矩。 和扭矩。
(5-20) 20)

《传感器技术及其应用》第03单元 压电传感器的应用—压电传感实验

《传感器技术及其应用》第03单元 压电传感器的应用—压电传感实验

电荷放大模块电路图:
比较器模块电路图:
(1)压电传感模块场景模拟界面认识 压电传感模块场景模拟界面主要包括5个部分,
模拟场景、压电特性曲线、放大信号和灵敏度调节 信号AD值、模拟车速检测的参数、比较器输出状态。
任务一 实验目的 任务二 是按原理 任务三 实验步骤
1. 振动实验模块的启动
(1)将NEWLab实验硬件平台通电并与电脑连接。
原理说明
1. 压电式传感器的工作原理 (1)压电效应 :
表达这一关系的压电方程如式:
式中 F——作用的外力; Q——产生的表面电荷; d——压电系数,是描述压电效应的物理量。
原理说明
(2)等效电路 其电容量为:
式中 S——压电元件电极面的面积,单位为; δ——压电元件厚度,单位为; ε——压电材料的介电常数,单位为,它随材料不同而不 同,如锆钛酸铅的;
第3单元 压电传感器的应用--压 电传感器实验
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
单元任务预览
一、实验目的 了解压电传感器的检测原理 掌握压电传感器的检测电路及方法 了解压电传感模块的原理并掌握其测量方法
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
原理说明
压电式传感器是将被测量变化转换成材料受 机械力产生静电电荷或电压变化的传感器,是一 种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器 或自发电型传感器。压电元件是机电转换元件, 它可以测量最终能变换为力的非电物理量,例如 力、压力、加速度等。
点为1210℃。
c)压电陶瓷:
4. NEWLab压电传感模块认识
①LDT0-028K压电薄膜传感器; ②电荷放大模块电路; ③灵敏度调节电位器; ④信号放大比较器模块; ⑤灵敏度调节信号接口J10,测量灵敏度调节点位器可调端 输出电压,即比较器1正端(3脚)的输入电压; ⑥传感器信号接口J7,测量压电传感器的输出信号; ⑦电荷信号接口J4,测量电荷放大模块的输出信号; ⑧放大信号接口J6,测量信号放大电路输出信号,即比较器 1负端(2脚)的输入信号; ⑨比较输出接口J3,测试信号放大比较器模块的输出信号。 ⑩接地GND接口J2

压电式传感器(4)

压电式传感器(4)

(2) 石英晶体切片压电效应
当晶体受到沿 轴方向的压力作用时 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷,它的极性 作用时, 轴上出现电荷, 轴正向为负电荷。 轴方向上不出现电荷。 为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。
(2) 石英晶体切片压电效应
如果沿 轴方向施加作用力 因为晶体在x方向和y 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形 施加作用力, 变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。 变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。 这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。
§2.6 压电式传感器
§2.6 压电式传感器
概念: 概念:以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传感 器称作压电式传感器 器称作压电式传感器。 压电式传感器。 功能:既可以把机械能转化为电能,也可以把电能转化 功能:既可以把机械能转化为电能, 为机械能。 为机械能。 用途:用于跟力有关的物理量的测量。 用途:用于跟力有关的物理量的测量。 如:(1)力、压力、加速度、机械冲击和振动等。 压力、加速度、机械冲击和振动等。 也可用于超声波的发射与接收装置。 (2)也可用于超声波的发射与接收装置。 工作原理:是基于某些材料的压电效应。 工作原理:是基于某些材料的压电效应。 常见压电材料有石英晶体 常见压电材料有石英晶体及多晶压电陶瓷 石英晶体及
§2.6 压电式传感器
压电材料的主要特性参数
•压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 是衡量材料压电效应强弱的参数 敏度。 敏度。 •压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 压电材料的弹性常数 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 弹性常数、 介电常数有关 •对于一定形状、 尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关; 而固有 对于一定形状、 尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关; 电容又影响着压电传感器的频率下限。 电容又影响着压电传感器的频率下限。 •在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能)与输入的能 在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量(如电能) 等于转换输出能量 如机械能)之比的平方根; 量(如机械能)之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一 个重要参数。 个重要参数。 •压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。 电阻将减少电荷泄漏 •压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度 居里点温度。

压电式传感器

压电式传感器

3.压电元件
用压电材料制造的传感元件称作压电元件。
第一节
压电式传感器的工作原理
4.压电效应机理 现以石英晶体为例,简要说明压电效应的机理。 (1)石英晶体的结构 石英晶体是二氧化硅单晶,属于六角 晶系。右图是天然晶体的外形图,它为规 则的六角棱柱体。 z 轴又称光轴,它与晶体的纵轴线方向 一致; x 轴又称电轴,它通过六面体相对的两 个棱线并垂直于光轴; y 轴又称为机械轴,它垂直于两个相对 的晶柱棱面。
AQ Uo [Ca Cc Ci (1 A)Cf ]
当 A 足够大时,则(1 + A)Cf >>(Ca + Cc + Ci),这样
AQ Q Uo (1 A)Cf Cf
由此可见,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电 容有关,电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。
第一节
压电式传感器的工作原理
(2)纵向压电效应 从晶体上沿 x y z 轴线切下的一片平 行六面体的薄片称为晶体切片。 它的六个面分别垂直于光轴、电轴 和机械轴。通常把垂直于 x 轴的上下两
个面称为 x 面,把垂直于 y 轴的面称为
y 面。 如右图所示。当沿着 x 轴对晶片施 加力时,将在 x 面上产生电荷,这种现 象称为纵向压电效应。
压电式传感器:一种典型的自发电式传感器。它以某些电 介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面将产生 电荷,从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元 件。 应用:它可以测量那些最终可以变换为力的非电物理量, 但不能用于静态参数的测量。
第一节 压电式传感器的工作原理
一、压电效应
二、压电材料
第三节
压电式传感器的结构与应用
二、压电式加速度传感器

压电传感器的等效电路

压电传感器的等效电路

压电传感器的等效电路压电传感器是一种常用的传感器,其原理是利用压电材料的压电效应将机械能转换为电能,实现对压力、力、加速度等物理量的测量。

压电传感器的等效电路一般由压电传感元件和相关电路组成。

压电传感元件一般采用压电陶瓷材料,主要由触发板、压电陶瓷片和底座组成。

触发板是用来接受外部压力或力的作用,将机械能转换为压电效应;压电陶瓷片是压电元件的核心部分,负责将机械能转换为电能;底座是固定压电陶瓷片和触发板的支撑结构。

压电传感器的等效电路可分为感应电路和放大电路两部分。

感应电路主要是将压电传感器输出的电荷信号转换为电压信号,常用的感应电路有放大电荷放大器和运算放大器。

放大电荷放大器一般由前置放大电路和后置放大电路组成,前置放大电路用于对由压电陶瓷片产生的微小电荷进行放大,后置放大电路用于对前置放大电路输出的电压信号进行进一步放大。

运算放大器一般采用差分放大电路,通过将压电陶瓷片产生的电压信号与参考电压进行差分放大,得到输出电压信号。

放大电路输出的电压信号一般较小,为了进一步增强信号强度和减小噪声,需要使用放大器进行放大。

常用的放大器有运算放大器和分立元件放大器。

运算放大器是一种常用的放大器,具有高增益、低失真和高输入阻抗等特点,可以将输入信号放大几十倍甚至更多。

分立元件放大器则是通过使用晶体管、场效应管等分立元件构成,具有较高的功率输出和较低的噪声水平。

压电传感器的等效电路还需要包括一些辅助电路,如滤波电路和稳压电路。

滤波电路用于滤除输入信号中的高频噪声,使得输出信号更加清晰和准确。

稳压电路用于稳定电压信号,避免由于电源波动等原因对传感器输出的影响。

总的来说,压电传感器的等效电路主要由压电传感元件、感应电路、放大电路和辅助电路组成。

其中感应电路将压电传感元件输出的电荷信号转换为电压信号,放大电路对输出信号进行进一步放大,辅助电路保证电路的稳定性和准确性。

这些电路的设计和优化将直接影响到压电传感器的测量精度和稳定性。

压电式传感器 ppt课件

压电式传感器  ppt课件
• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定,而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影,等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+,绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3(a)所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好, 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高,动态响应好,机械强度高,绝缘性能好, 迟滞小,重复性好,线性范围宽
• 具有体积小,重量轻,工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应

压电式传感器的测量电路

压电式传感器的测量电路
在于高阻抗输入的前置放大器。)
前置放大器的作用:一是将传感器的高阻抗输出变 换为低阻抗输出;二是放大传感器输出的微弱电信 号。 前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的电 压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出) 成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器, 其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电 路的电缆长度变化的影响不大,几乎可以忽略不计, 故而电荷放大器应用日益广泛。
作用于压电元件的力为静态力(ω=0)时, 前置放大
器的输出电压等于零, 因为电荷会通过放大器输入电
阻和传感器本身漏电阻漏掉, 所以压电传感器不能用
于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时,放大器输入电压 Uim 如
式(6-10)所示,式中Cc为连接电缆电容,当电缆长
度改变时,Cc也将改变,因而Uim也随之变化。因此, 否则将引入测量误差。
dFm Ua sin t U m sin t Ca
Um=dFm/Ca; d——压电系数。
(5-20)
式中: Um——压电元件输出电压幅值,
由此可得放大器输入端电压Ui,其复数形式为
i d 33 F U
. Ui的幅值Uim
jR 1 jR( C a C )
(5-21)
由此可得放大器输入端电压u33im522523在理想情况下传感器的r电阻值与前置放大器输入电阻rr1那么由式522可知理想情况下输入电压幅值uim33上式表明前置放大器输入电压uim与频率无关一般在3时就可以认为uim与无关表示测量电路时间常数之倒数即524这表明压电传感器有很好的高频响应但是当作用于压电元件的力为静态力0时前置放大器的输出电压等于零因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉所以压电传感器不能用于静态力的测量

第7章 压电式传感器

第7章 压电式传感器

第7章压电式传感器(2学时)本章主要内容7.1 压电式传感器的基本原理7.2 压电式传感器的测量转换电路7.3 压电式传感器的应用教学要求及重点、难点一. 教学要求1. 了解压电式传感器基本原理,2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路3. 了解压电式传感器的应用二. 重点、难点压电式传感器的测量转换电路概述压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。

有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时,在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。

压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点,适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量,广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。

压电式传感器是一种无源传感器,大多数是利用正向压电效应制成的。

外力去掉后,又回到不带电状态,这种将机械能转换成电能的现象,称为正向压电效应,简称压电效应。

当然这种电介质材料也具有逆压电效应,即在相应表面上施加电压后,电介质材料会发生机械变形;去掉电压后,变形立即消失,它将电能转换成机械能。

逆压电效应也称电致伸缩效应。

7.1 压电式传感器的基本原理一. 压电效应与压电材料1. 压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时,内部会产生极化现象,同时在其表面产生电荷。

当外力去掉后,又重新回到不带电状态,这种现象称为压电效应。

压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。

某些电介质,当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时,内部就产生极化现象,相应地会在它的两个表面上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。

当外力方向改变时,电荷的极性也随之改变,这种将机械能转换为电能的现象,称为正压电效应。

相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力,这种现象称为逆向压电效应,也称为电致伸缩效应。

图6.1所示压电元件受力变形后的几种基本形式。

2. 压电材料:具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机-电能量的相互转换,具有一定的可逆性,如图4.71 所示。

压电传感器等效电路

压电传感器等效电路
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第二节 压电传感器等效电路和测 量电路
并联连接式压电传感器的输出电容C’和极板上的电荷q‘分别
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第一节 压电效应和压电材料
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构,其形状为六角形晶柱,两端呈六棱 锥形状,如图3-1所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。 在三维直角坐标系中,z轴被称为晶体的光轴。经过六棱柱 棱线,垂直于光轴z的x轴称为电轴,把沿电轴x施加作用力 后的电压效应称为纵向压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y 轴称为机械轴。把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为横向压电效应。沿光轴z方向施加作用力则不产 生压电效应。
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第一节 压电效应和压电材料
二、压电材料简介
压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。前者为晶 体,后者为极化处理的多晶体。它们都具有较好特性:压电 常数高,机械性能优良(强度高,固有振荡频率稳定),时 间稳定性和温度稳定性好等,是较理想的压电材料。
1.压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体,其化学成
由于外力作用而使压电材料上产生电荷,该电荷只有在无泄 漏的情况下才会长期保存,因此需要测量电路具有无限大的 输入阻抗,而实际上这是不可能的,所以压电传感器不宜作 静态测量,只能在其上加交变力,电荷才能不断得到补充, 可以供给测量电路一定的电流,故压电传感器只宜作动态测 量。
制作压电传感器时,可采用两片或两片以上具有相同性能的 压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性,因此 接法有并联和串联两种,如图3-6所示。
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第一节 压电效应和压电材料
如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力,陶瓷片 产生压缩变形,片内的束缚电荷之间表面的自由电荷,有一 部分被释放而呈现放电现象。

压电式传感器的测量转换电路

压电式传感器的测量转换电路

( A 1)
QA (Ca Cc
Ci )
Q Cf
(5-6)
2021年3月14日星期日
Uo
Cf
( A 1)
QA (Ca Cc
Ci )
Q Cf
由式(5-6)可以得出以下几点结论: (1)电荷放大器的输出电压只与输入电荷量Q和反馈电容Cf有
关,而与放大器的放大系数A、电缆电容Cc和前置放大器 的输入电容Ci等的变化均无关。 (2)只要保持反馈电容Cf的数值不变,就可得到与输入电荷量 Q变化成线性关系的输出电压 。 (3)压电式传感器产生的电荷量Q一定时,反馈电容Cf越小, 输出电压 就越大。
压电式传感器的测量转换电 路
压电式传感器的测量转换电路 1.1 压电元件的等效电路
由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同
时, 当压电元件表面聚集电荷时,相当于一个以压电材料为介质的电容器,
则其电容量为
Ca
0r A
d
(5- 2)
式中: A——压电片的面积; d ——压电片的厚度; εr——压电材料的相对介电常数。
2021年3月14日星期日
1.3 电荷放大器
图5-8 电荷放大器的等效电路
2021年3月14日星期日
由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足Cf(A+1)>> (Ca+Cc+Ci),因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci 的影响。因此,电荷放大器输出电压的表达式为
Uo
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Cf
压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此 它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放 大器,其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输 出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感 器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前 置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。
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d 33 Fm = Ca + Cc + Ci
(5-24)
与频率无关, 上式表明前置放大器输入电压 Uim 与频率无关 , 一般在 ω/ω0>3时,就可以认为Uim与ω无关,ω0表示测量电 无关, 路时间常数之倒数, 路时间常数之倒数,即 1 ω0 = ( C a + C c + C i )R
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
− Aq Uo = C a + C c + C i + ( 1 + A )C f
(5-29) 29)
通常A 通常 A=104~108 , 因此 , 当满足 (1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci 因此, 当满足( >>C 时,上式可表示为: 上式可表示为:
q Uo ≈ − CF
(5-30) 30)
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
这表明压电传感器有很好的高频响应, 但是, 这表明压电传感器有很好的高频响应 , 但是 , 当作用于压电元件的力为静态力( 当作用于压电元件的力为静态力(ω=0)时, 前置放 大器的输出电压等于零, 大器的输出电压等于零, 因为电荷会通过放大器输入 电阻和传感器本身漏电阻漏掉, 电阻和传感器本身漏电阻漏掉, 所以压电传感器不能 用于静态力的测量。 用于静态力的测量。
q Uo ≈ Ud = − Cf
式中 : Uo——放大器输出电压; ——放大器输出电压 放大器输出电压;
Ucf——反馈电容两端电压。 ——反馈电容两端电压 反馈电容两端电压。
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
由运算放大器基本特性, 由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
压电式传感器在测量低压力时线性度不好, 压电式传感器在测量低压力时线性度不好,主 要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 。 为 在力传递系统中加入预加力, 称预载。 此 , 在力传递系统中加入预加力 , 称预载 。 这除了 消除低压力使用中的非线性外, 消除低压力使用中的非线性外,还可以消除传感器内 外接触表面的间隙,提高刚度。 特别是, 它只有在 外接触表面的间隙 , 提高刚度。 特别是, 加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力 及剪力和扭矩。 及剪力和扭矩。
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时 , 放大器输入电压 Uim 如 式 ( 6-10 ) 所示 , 式中 Cc 为连接电缆电容 , 当电缆长 10) 所示, 为连接电缆电容, 度改变时, 也将改变, 度改变时 , Cc 也将改变 , 因而 Uim 也随之变化 。 因此 , 也随之变化。 因此, 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换, 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换 , 否则将引入测量误差。 否则将引入测量误差。
Ca q (a)
εS ε r ε 0 S Ca = = δ δ
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压, 当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压, 其大小为
q Ua = Ca
因此,压电传感器还可以等效为电压源 因此,压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容 器Ca的 串联电路, 串联电路,如图 (b)。 。
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
Ca
Ua
Ra
Cc
Ri
Ci
q
Ce
Ra
Cc
Ri
Ci
(a)
(b)
图5-15 压电传感器的完整等效电路 电压源; (a) 电压源; (b) 电荷源
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值得注意的是: 值得注意的是: 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时,必须 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时, 采取一定的措施, 采取一定的措施,使电荷从压电晶片上经测量电路 的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下, 的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下,电 荷可以得到不断补充,可以供给测量电路一定的电 荷可以得到不断补充, 流,故压电传感器适宜作动态测量。 故压电传感器适宜作动态测量。
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
1. 电压放大器(阻抗变换器) 电压放大器(阻抗变换器)
Ca A Ca
ua
Re
Ce
Ri
Ci
uo
ua
R
C
ui
(a)
(b)
图 5-16 压电传感器接放大器的等效电路 (a) 放大器电路; (b) 等效电路 放大器电路;
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3.2 压电传感器的等效电路 当压电晶体承受应力作用时, 当压电晶体承受应力作用时 , 在它的两个极面上出现 极性相反但电量相等的电荷。 极性相反但电量相等的电荷 。 故可把压电传感器看成 一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。 一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。 其电容量为: 其电容量为:
1 q′ = q;U ′ = 2U;C ′ = C 2
+ + - - (b)串联
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
在上述两种接法中,并联接法输出电荷大, 在上述两种接法中, 并联接法输出电荷大, 本 身电容大, 时间常数大, 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场合。 且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压 本身电容小, 适宜用于以电压作输出信号, 大 , 本身电容小 , 适宜用于以电压作输出信号 , 并 且测量电路输入阻抗很高的场合。 且测量电路输入阻抗很高的场合。
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
2. 电荷放大器
Cr
-A
q
Ca
Ce
Ci
uo
图5-17
电荷放大器等效电路
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
电荷放大器常作为压电传感器的输入电路, 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一 个反馈电容 CF 和高增益运算放大器构成 。 由于运算放 和高增益运算放大器构成。 大器输入阻抗极高, 放大器输入端几乎没有分流, 大器输入阻抗极高, 放大器输入端几乎没有分流,故 可略去Ra和Ri并联电阻。 并联电阻。
在 图 5-16 ( b ) 中 , 电 阻 R=RaRi/(Ra+Ri), 电 容 /(R C=Cc+Ci,而ua=q/Ca,若压电元件受正弦力f=Fm sinωt 若压电元件受正弦力f sinωt 的作用, 的作用,则其电压为
ɺ = dFm sin ωt = U sin ωt Ua m Ca
(5-20) 20)
. Ui的幅值 im为 的幅值U
jωR 1 + jω Fm ωR U im ( ω ) = 1 + ω 2 R 2 ( C a + C c + C i )2
输入电压和作用力之间相位差为
(5-22)
π ϕ = − arctan[ ω( C a + C c + C i )R ] 2
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
5.3
压电式传感器的测量电路
5.3.1 压电晶片的连接方式 在实际应用中,由于单片的输出电荷很小,因 在实际应用中,由于单片的输出电荷很小, 此,组成压电式传感器的晶片不止一片,常常将两 组成压电式传感器的晶片不止一片, 片或两片以上的晶片粘结在一起。 片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两 种,即并联和串联。 即并联和串联。
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上, 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上, 正电荷集中在两侧的电极上,传感器的电容量大、输 正电荷集中在两侧的电极上,传感器的电容量大、 出电荷量大、时间常数也大, 出电荷量大、时间常数也大,故这种传感器适用于测 量缓变信号及电荷量输出信号。 量缓变信号及电荷量输出信号。
(5-23)
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
在理想情况下, 在理想情况下 , 传感器的 Ra 电阻值与前置放大器输入 电 阻 Ri 都为 无 限 大 , 即 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 , 那 么 由 式 22)可知, (5-22)可知,理想情况下输入电压幅值Uim为
U im
Ua (b) Ca
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
Ca
ua
q
Ca
(a)
(b)
图5-14 压电传感器的等效电路 电压源; (a) 电压源; (b) 电荷源
传感器原理与应用——第五章 第五章 传感器原理与应用
实际使用时,压电传感器通过导线与测量仪器相连接, 实际使用时,压电传感器通过导线与测量仪器相连接, 连接导线的等效电容C 前置放大器的输入电阻R 连接导线的等效电容 C、前置放大器的输入电阻 i、 输入电容C 对电路的影响就必须一起考虑进去。 输入电容 i对电路的影响就必须一起考虑进去。当考 虑了压电元件的绝缘电阻R 以后, 虑了压电元件的绝缘电阻 a以后,压电传感器完整的 等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路(a)和 所示的电压等效电路( ) 等效电路可表示成图 所示的电压等效电路 电荷等效电路( )。这两种等效电路是完全等效的。 )。这两种等效电路是完全等效的 电荷等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。
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