压电陶瓷式传感器在流量测量中的应用
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技术交 流
压 电陶 瓷 式传感器 在流 量 测 量 中的应 用
王本 臣
(宁夏 银河 仪 表 有 限 公 司 宁 夏 银 川 7 以 抖 5 X
,
摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要
主 要 从 压 电 陶 瓷 结 构 的 原 理 阐 述 了 利 用 压 电 陶 瓷 制 作 的 传 感 器 与 电 荷放 大 器 组 成 涡 街 流 量 仪
。
由 于 放 大 器 输 人 电 容 q 折算 到 输 人
端 的 电容 (
, ,
1+
,
A )C , 与 传感 器 的 内部 电 容 C a 和 电 缆 电
由 图 3 所 知 只 有 在 外 电路 负 载 几 无 穷 大 且 内
,
。 容 C 并 联 因 此 压 电 陶 瓷 产生 的 电 荷 Q 不 仅 对 反 馈
因 为 传 感器 既 是 电 荷 源 又 是 电 容 器
,
其 等效 电
! } !C
。
e
.
e
,
U二 U se
路可 认为 是二 者并 联 如 图 3 所 示
,
。
据 等效 电 路 可 求
。
得压 电 传感 器 的开 路 电 压 (凡 无 穷 大 时 )
u
二
圈5
立 C
。 .
(3 )
反馈 电容 C 折合 到放大 器 输人 端 的有效 电容 C 为 f ’ f
性 电荷 放大 器 则 可 以 使测 量 系统 的上 述 缺点 得 以 克 服 电荷 放大 器 是 一 种输 出 电压 与输 人 电 荷量 成正 比 的 前 置 放 大器 压 电传 感 器 实 际 上 可 等效 为 一 个 电 容
C a 和 一个 电 荷 源
。 。
街 流 量 仪 表 应 用 于 冶 金 化 工 制 药 发 电 炼 油 等生 产 过 程 中的 气 体
,
Ua r
:
二 _
又 t C
7 ( )
公 式 ( 中 负 号 表 示 放大 器 的 输 出 信号 与输 人相 ) 7 反
。
公式 (7 中清 楚 地说 明电荷 变 换 级 的 输 出 电压 仅 )
,
4
与 传 感器 产 生 的 电 荷t 及 电 荷 放 大 器反 馈 电 容有关
电 缆 电 容等 其他 因 素 的 影 响可 忽 略 不 计
, , ,
。
因 此 当 用压 电传 感 器来 测 量一 个
,
,
静 态 或 频 率很低 的 参数 时 就必 须保 证 负载 电阻 具 有
以 保 证 测 t 电路 的 时 间 常 数 R f 足 够 C
。
C a + C e + C i+ ( + l
‘ ) AC
(5 )
sr : 放 大器 的 输 人 电 压 U 为
。
‘
-
-
甲 . , ‘
图2
F
图 1
3
压 电陶 瓷 传 感 器 的等效 电路
,
压 电 陶 瓷 传感 器 在 受 外 力 作 用 时就 产 生 电荷 因
屯 的 量 值 表 示 压 电 陶 瓷 在 一 定 距 离 温 度范 围 内 在 力 的作 用 下 产 生 电 荷量 值 的物 理量 反 映 了压 电陶
, ,
.
。
一3 2 一
+
宁夏机 械 2 0
4 2+
.
N I G X U 山 民IE N
。_ _ 七越
‘‘
技术交流
。
8
- ~ - 二-
幼 6 一
;
~
(2
)
a 放 大 器 反馈 电容 ; C 一传 感 器 电 容 ; C
一
电缆 电容 ; C i
f 放大器输人电容 ; R
一
并 在 反 馈 电 容 两 端 的漏 电阻 ;
t 大 通 常 R 不 低 于 1护 欧 姆 画 出 了 传感 器 电 缆 电 容 C c
压 电 传 感器 与 二 次 仪 表
,
U sr 二
配套 使 用 时 较 完 整 的等 效 电 路 如 图 4 所 示 电路 中
、
c
,
+ a
c c + c i+ ( + A )c f l
,
(6 )
放 大器 输 人 电 阻 凡 输 人
2
。
测 量 最终 能 转 换 为 力 的那 些 非 电 物 理 量 如力 压 力
, ,
、
压 电 陶 瓷 是 一 种 多 晶 铁 电 体 当压 电 陶瓷
,
漩 涡 的产 生 及 电荷 生 成 过 程
, ,
在 沿极 化 方 向 受 力 时 内部 就 产 生 激 化 现 象 同 时 垂
当在 稳 定 流 场 的 管道 中 放 人截 流 体 (三 角 柱 ) 则 在 截 流 体 的 两 侧 会交 替产 生 旋 涡 形成 旋 涡 列 向 下 游
。
式中 C
8
:
e 丁~
) 一压 电 传 感 器 内部 电 容 (F
真空 介 电 常数 ( 8 8 妒. 5
x
~
A 一 运 算 放 大器 开环 增益
l
l仓 IT m
);
一压 电 材 料 介 电 常 数 (Fm
。
l
)
;
「 产卜门 飞
Q
A 一 极板 面 积 ( ) ; 砂
6 一 压 电 元 件厚 度 ( ) m
、
因为 A > > l
f (6 )中 (1+ A )C >
一 般 A 约 为 1卜 l护 以上 故公 式
e (C a C + Ci) +
、
i 电容 c 和 传 感 器绝 缘 漏 电 阻
・
>
。
a R
・
。
a c 此时 传感器 自身 电容 C 电 缆电 容 C 和 放大器 输
,
』:: c
圈4
{{ i
,
:
人 电容 c 均 可 忽略不 计 放 大器 输 出电压 可 表 示 为 : i
晶 体 受 力 所 产生 的 电 荷 量 Q
。
在 旋 涡 列 的 同一 截 面 上 旋
,
与 外 力 F 的大 小成 正 比
。
涡 的 形 成 只 能 在 旋 涡 列 两 侧 的 任 意 一侧 存 在 因 此 在
(见 公 式 式中 d
:
1
)
。
这种 现 象 称 为 正压 电效 应
漩 涡 列 的 同 一 截 面 上 将产 生 压 力 差 由 于 旋 涡 的 交 替 (l )
。
Q
二
d挤
;
。
产生 所 以 压力差 也 是 交替 变 化
出 与旋 涡 频 率 相 同 的电 荷
。
,
。
我 们将 旋 涡 产生 的
,
3
纵 向压 电系 数
压 力 差 作 用 于 由压 电陶瓷 制 作 的 传 感 器 传 感 器 将输
F一 外 部作 用 力 Z
二
!F
寸
呼
‘
+
呼
.
扣
冲
愁 二巴上l 里 一 2 一二二
部 无漏 电 时 压 电传 感 器 受 力所 产 生 的 电荷 才 能够 保
,
存下 来
。
如 果 负载 不 是 无穷 大 则 电 路 时 间 常 数 R 不
,
电 容 充 电 同 时 也 对 其 他所 有 的 电 容充 电 此 时 放大 : 器 的 输 电压 为 出
U sc
=
。
,
按 指 数 规律 放 电 很 大 的 阻值
表
。
、
液体计量
,
、
,
能 输 出标 准 的 4 m A 、 、
2 0 m A D C 和 标 准 的 脉 冲信 号
也 可 以 作 为就 地 显示 仪
,
Q 而 电 荷 放 大 器 实 际上 是 一 个 具 有深度 负反 馈 的 高 增益 运 算 放 大器 如 图 5 为压 电 传
。
因 为它 具 有 可 靠 性好 量 程 比 大 线性 度好 精 度
,
表在 工 业 自动 化控 制 过 程 中的 应 用
关键 词
压 电陶瓷
电 荷 截 流体
。
电荷放 大 器
1
压 电 陶瓷 的压 电 机理
,
中 通过 改 变配 方或 改善 工艺 可 使 压 电 陶 瓷 的材 料 的
电 压 系 数 的 技 术 性 能有 较 大 的 改 变
,
,
压 电式 传 感 器 是 一 种 典 型 的 自发 式 传 感器 是 以
C扩
=
(1 + A )C
,
(4 )
Q
.C
l凡
阻 几
若 忽 略 放 大 器 输 人 电阻 形 和 反 馈 电 容 的 漏 电
,
此 时 放 大 器 的 输 人 阻 抗 等 于 运 算 放 大器 本身
’
的 输 人 电 容 C。 和 折 算 到 放大 器 箱 人 端 的 电 容 Q
并
联 的 等 效 阻抗
圈 3
。
电荷 放大器
它 的电 压 灵
, 、
压 电 传 感 器 内 阻 很 高 且 信号 很 弱
敏 度 将随 电 缆 分 布 电 容
。
5
传 感 器 自身 电 容 而 变 化 传
结 束语
、 、 、 、
利 用 压 电 陶 瓷 传 感 器 和 电荷 放 大 电 路 组成 的 涡
感 器 绝 缘 电阻 的下 降 又 势将 恶 化 测 量 系 统 的 低 频 特
,
此他 相 当 于 一 个 电 荷 源 时
,
。
当压 电 元 件 表 面 聚 集 电 荷
,
它就 相 当 于 一 个 以 压 电 材料 为 电 介 质 的 电 容 器
。
瓷 制作 传 感 器 的 灵 敏 度
。
在压 电 陶瓷 制 造 工 艺 过 程
其 电 容 量 可 由公 式 (2 求得 )
: l 作 者 简介 王 本 臣 ( % 3 一) 男 工 程 师 现从 事 仪 器 仪 表 产 品 的开 发 与设 计
以 适 应 各种 要
, ,
某 些 晶 体 受 力 后 在其 表 面 产 生 电 荷 的 压 电 效 应 为 转 换 原 理 的 传感 器 加 速度 等
。 。
求
。
压 电 陶瓷 比 压 电 单 晶 压 电系 数 高 得很 多 一 般 比
,
压 电 晶 体 是机 一 电 转 换 元件
, ,
,
可以
、
石 英 晶 体 高 几 百 倍 而 制 造 成 本 又 很 低 因 此 目前 国 内外 压 电 元 件绝 大多 数都 采 用 压 电 陶 瓷
、 、
高 压 损 小 安 装 方 便 测 量 介 质 温度 高等 优 点 目前
在 世界 各地 应 用 很 广
。
、
。
感 器 与 电荷 放 大器 连 接 的 等 效 电 路
。
图5
中
Cr
电荷
收 ( 稿 日期
.
:
2 0 伽卜 0
5
19 )
一3 3 一
+
( 宁 草机 械 2 0 抖 2 +
直 于 极 化 方 向 (Z 轴 ) 两 侧 镀 有 电 极 的 表 面 上 分 别 产
生 正 负 电荷
,
。
如图 1 当外力 去 掉 后 又 恢 复 到不 带 电
, , , ,
移 动 且 漩 涡 的 个 数 在 单 位 时 间 内 随 管 道 中介 质 流
速 的 增 加 而 增加 如 图 2
,
,
,
状 态 当 作 用力 方 向 改 变 时 电 荷 的 极 性也 随 着 改 变
压 电陶 瓷 式传感器 在流 量 测 量 中的应 用
王本 臣
(宁夏 银河 仪 表 有 限 公 司 宁 夏 银 川 7 以 抖 5 X
,
摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要
主 要 从 压 电 陶 瓷 结 构 的 原 理 阐 述 了 利 用 压 电 陶 瓷 制 作 的 传 感 器 与 电 荷放 大 器 组 成 涡 街 流 量 仪
。
由 于 放 大 器 输 人 电 容 q 折算 到 输 人
端 的 电容 (
, ,
1+
,
A )C , 与 传感 器 的 内部 电 容 C a 和 电 缆 电
由 图 3 所 知 只 有 在 外 电路 负 载 几 无 穷 大 且 内
,
。 容 C 并 联 因 此 压 电 陶 瓷 产生 的 电 荷 Q 不 仅 对 反 馈
因 为 传 感器 既 是 电 荷 源 又 是 电 容 器
,
其 等效 电
! } !C
。
e
.
e
,
U二 U se
路可 认为 是二 者并 联 如 图 3 所 示
,
。
据 等效 电 路 可 求
。
得压 电 传感 器 的开 路 电 压 (凡 无 穷 大 时 )
u
二
圈5
立 C
。 .
(3 )
反馈 电容 C 折合 到放大 器 输人 端 的有效 电容 C 为 f ’ f
性 电荷 放大 器 则 可 以 使测 量 系统 的上 述 缺点 得 以 克 服 电荷 放大 器 是 一 种输 出 电压 与输 人 电 荷量 成正 比 的 前 置 放 大器 压 电传 感 器 实 际 上 可 等效 为 一 个 电 容
C a 和 一个 电 荷 源
。 。
街 流 量 仪 表 应 用 于 冶 金 化 工 制 药 发 电 炼 油 等生 产 过 程 中的 气 体
,
Ua r
:
二 _
又 t C
7 ( )
公 式 ( 中 负 号 表 示 放大 器 的 输 出 信号 与输 人相 ) 7 反
。
公式 (7 中清 楚 地说 明电荷 变 换 级 的 输 出 电压 仅 )
,
4
与 传 感器 产 生 的 电 荷t 及 电 荷 放 大 器反 馈 电 容有关
电 缆 电 容等 其他 因 素 的 影 响可 忽 略 不 计
, , ,
。
因 此 当 用压 电传 感 器来 测 量一 个
,
,
静 态 或 频 率很低 的 参数 时 就必 须保 证 负载 电阻 具 有
以 保 证 测 t 电路 的 时 间 常 数 R f 足 够 C
。
C a + C e + C i+ ( + l
‘ ) AC
(5 )
sr : 放 大器 的 输 人 电 压 U 为
。
‘
-
-
甲 . , ‘
图2
F
图 1
3
压 电陶 瓷 传 感 器 的等效 电路
,
压 电 陶 瓷 传感 器 在 受 外 力 作 用 时就 产 生 电荷 因
屯 的 量 值 表 示 压 电 陶 瓷 在 一 定 距 离 温 度范 围 内 在 力 的作 用 下 产 生 电 荷量 值 的物 理量 反 映 了压 电陶
, ,
.
。
一3 2 一
+
宁夏机 械 2 0
4 2+
.
N I G X U 山 民IE N
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技术交流
。
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- ~ - 二-
幼 6 一
;
~
(2
)
a 放 大 器 反馈 电容 ; C 一传 感 器 电 容 ; C
一
电缆 电容 ; C i
f 放大器输人电容 ; R
一
并 在 反 馈 电 容 两 端 的漏 电阻 ;
t 大 通 常 R 不 低 于 1护 欧 姆 画 出 了 传感 器 电 缆 电 容 C c
压 电 传 感器 与 二 次 仪 表
,
U sr 二
配套 使 用 时 较 完 整 的等 效 电 路 如 图 4 所 示 电路 中
、
c
,
+ a
c c + c i+ ( + A )c f l
,
(6 )
放 大器 输 人 电 阻 凡 输 人
2
。
测 量 最终 能 转 换 为 力 的那 些 非 电 物 理 量 如力 压 力
, ,
、
压 电 陶 瓷 是 一 种 多 晶 铁 电 体 当压 电 陶瓷
,
漩 涡 的产 生 及 电荷 生 成 过 程
, ,
在 沿极 化 方 向 受 力 时 内部 就 产 生 激 化 现 象 同 时 垂
当在 稳 定 流 场 的 管道 中 放 人截 流 体 (三 角 柱 ) 则 在 截 流 体 的 两 侧 会交 替产 生 旋 涡 形成 旋 涡 列 向 下 游
。
式中 C
8
:
e 丁~
) 一压 电 传 感 器 内部 电 容 (F
真空 介 电 常数 ( 8 8 妒. 5
x
~
A 一 运 算 放 大器 开环 增益
l
l仓 IT m
);
一压 电 材 料 介 电 常 数 (Fm
。
l
)
;
「 产卜门 飞
Q
A 一 极板 面 积 ( ) ; 砂
6 一 压 电 元 件厚 度 ( ) m
、
因为 A > > l
f (6 )中 (1+ A )C >
一 般 A 约 为 1卜 l护 以上 故公 式
e (C a C + Ci) +
、
i 电容 c 和 传 感 器绝 缘 漏 电 阻
・
>
。
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・
。
a c 此时 传感器 自身 电容 C 电 缆电 容 C 和 放大器 输
,
』:: c
圈4
{{ i
,
:
人 电容 c 均 可 忽略不 计 放 大器 输 出电压 可 表 示 为 : i
晶 体 受 力 所 产生 的 电 荷 量 Q
。
在 旋 涡 列 的 同一 截 面 上 旋
,
与 外 力 F 的大 小成 正 比
。
涡 的 形 成 只 能 在 旋 涡 列 两 侧 的 任 意 一侧 存 在 因 此 在
(见 公 式 式中 d
:
1
)
。
这种 现 象 称 为 正压 电效 应
漩 涡 列 的 同 一 截 面 上 将产 生 压 力 差 由 于 旋 涡 的 交 替 (l )
。
Q
二
d挤
;
。
产生 所 以 压力差 也 是 交替 变 化
出 与旋 涡 频 率 相 同 的电 荷
。
,
。
我 们将 旋 涡 产生 的
,
3
纵 向压 电系 数
压 力 差 作 用 于 由压 电陶瓷 制 作 的 传 感 器 传 感 器 将输
F一 外 部作 用 力 Z
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‘
+
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.
扣
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愁 二巴上l 里 一 2 一二二
部 无漏 电 时 压 电传 感 器 受 力所 产 生 的 电荷 才 能够 保
,
存下 来
。
如 果 负载 不 是 无穷 大 则 电 路 时 间 常 数 R 不
,
电 容 充 电 同 时 也 对 其 他所 有 的 电 容充 电 此 时 放大 : 器 的 输 电压 为 出
U sc
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。
,
按 指 数 规律 放 电 很 大 的 阻值
表
。
、
液体计量
,
、
,
能 输 出标 准 的 4 m A 、 、
2 0 m A D C 和 标 准 的 脉 冲信 号
也 可 以 作 为就 地 显示 仪
,
Q 而 电 荷 放 大 器 实 际上 是 一 个 具 有深度 负反 馈 的 高 增益 运 算 放 大器 如 图 5 为压 电 传
。
因 为它 具 有 可 靠 性好 量 程 比 大 线性 度好 精 度
,
表在 工 业 自动 化控 制 过 程 中的 应 用
关键 词
压 电陶瓷
电 荷 截 流体
。
电荷放 大 器
1
压 电 陶瓷 的压 电 机理
,
中 通过 改 变配 方或 改善 工艺 可 使 压 电 陶 瓷 的材 料 的
电 压 系 数 的 技 术 性 能有 较 大 的 改 变
,
,
压 电式 传 感 器 是 一 种 典 型 的 自发 式 传 感器 是 以
C扩
=
(1 + A )C
,
(4 )
Q
.C
l凡
阻 几
若 忽 略 放 大 器 输 人 电阻 形 和 反 馈 电 容 的 漏 电
,
此 时 放 大 器 的 输 人 阻 抗 等 于 运 算 放 大器 本身
’
的 输 人 电 容 C。 和 折 算 到 放大 器 箱 人 端 的 电 容 Q
并
联 的 等 效 阻抗
圈 3
。
电荷 放大器
它 的电 压 灵
, 、
压 电 传 感 器 内 阻 很 高 且 信号 很 弱
敏 度 将随 电 缆 分 布 电 容
。
5
传 感 器 自身 电 容 而 变 化 传
结 束语
、 、 、 、
利 用 压 电 陶 瓷 传 感 器 和 电荷 放 大 电 路 组成 的 涡
感 器 绝 缘 电阻 的下 降 又 势将 恶 化 测 量 系 统 的 低 频 特
,
此他 相 当 于 一 个 电 荷 源 时
,
。
当压 电 元 件 表 面 聚 集 电 荷
,
它就 相 当 于 一 个 以 压 电 材料 为 电 介 质 的 电 容 器
。
瓷 制作 传 感 器 的 灵 敏 度
。
在压 电 陶瓷 制 造 工 艺 过 程
其 电 容 量 可 由公 式 (2 求得 )
: l 作 者 简介 王 本 臣 ( % 3 一) 男 工 程 师 现从 事 仪 器 仪 表 产 品 的开 发 与设 计
以 适 应 各种 要
, ,
某 些 晶 体 受 力 后 在其 表 面 产 生 电 荷 的 压 电 效 应 为 转 换 原 理 的 传感 器 加 速度 等
。 。
求
。
压 电 陶瓷 比 压 电 单 晶 压 电系 数 高 得很 多 一 般 比
,
压 电 晶 体 是机 一 电 转 换 元件
, ,
,
可以
、
石 英 晶 体 高 几 百 倍 而 制 造 成 本 又 很 低 因 此 目前 国 内外 压 电 元 件绝 大多 数都 采 用 压 电 陶 瓷
、 、
高 压 损 小 安 装 方 便 测 量 介 质 温度 高等 优 点 目前
在 世界 各地 应 用 很 广
。
、
。
感 器 与 电荷 放 大器 连 接 的 等 效 电 路
。
图5
中
Cr
电荷
收 ( 稿 日期
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:
2 0 伽卜 0
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19 )
一3 3 一
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( 宁 草机 械 2 0 抖 2 +
直 于 极 化 方 向 (Z 轴 ) 两 侧 镀 有 电 极 的 表 面 上 分 别 产
生 正 负 电荷
,
。
如图 1 当外力 去 掉 后 又 恢 复 到不 带 电
, , , ,
移 动 且 漩 涡 的 个 数 在 单 位 时 间 内 随 管 道 中介 质 流
速 的 增 加 而 增加 如 图 2
,
,
,
状 态 当 作 用力 方 向 改 变 时 电 荷 的 极 性也 随 着 改 变