第3章-常用传感器-3精品PPT课件

C 0 A 结构型 控制型
电容
§3-5 压电式传感器
压电式传感器是利用压电效应把受 力的变化转换成电压或电流的变化信号。
一、压电效应
对某些材料沿一定方向施力而使其
变形，内部产生极化现象，在其两表面 将产生极性相反的电荷，当外力去掉后， 表面又回到不带电状态。这种现象就是 压电效应。
天然物质：石英晶体—压电效应弱，但稳定，
Ux
可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关
2、电荷测量电路
1
KRC f
U SC
Ca Cf
Ux
Q Cf
一般Cf做成可调的，当(1+K)Cf>>(Ca+Cc+Ci) 约10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。 优点：与电缆电容无关
缺点：电路复杂，价格昂贵
和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作 用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。
两种等效电路：
内部一个电荷源Q和一个电容器C并联 电荷等效电路
一个电压源U=Q/C和一个电容器C串联 电压等效电路
双晶片连接形式
双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：
1）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。 U’=U Q’=2Q 则C’=2C
分类
可用作标准的加速度计
人工制造：压电陶瓷—压电效应强，但稳定性差，
用作工作时的加速度计
1.石英晶体
结晶形状是六角晶柱，它是 一个正六面体，我们用直角坐标 三个轴来表示： 纵轴线z 光轴 穿过棱线且z轴的x轴 电轴 棱面的y轴 力轴（机械轴）
现象：
1) 沿电轴x 方向施力， 在x轴表面产生电荷 纵向压电效应
四、应用
1、压电式加速度传感器
应用二
2、压电式单向测力传感器 3、压电式压力传感器
写在最后
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电容式传感器分类
二、电容传感器分类比较
三、电容式传感器的应用 1. 电容式压力传感器
2.电容式加速度传感器
3.电容式应变计
4.电容式荷重传感器
5.电容式测厚仪
6.差动电容法测差压 7. 电容式水份计
总结

输出量
电容式 传感器
位移
沿力轴y 方向施力， 也在x轴表面产生电荷 横向压电效应
沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷；
2) 若改变受力方向，表面极性也相应改变；
3) 分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。
石英晶体产生压电效应的原因：
石英晶体的分子式为SiO2，Si4+， O2-，一个晶胞有三个硅离子和六个氧离 子，氧粒子是成对出现的，电荷互相平 衡，外部没有带电。
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
当外界加力时，电畴界限移动，使 极化强度增加，又基本恢复到外电场 作用下的状态使材料表面带了电荷。
极化一般在高电压14KV/mm， 经过几个小时才能完成。
二、压电式传感器及其等效电路
压电式传感器实质上是一个电容器
C r0A
r 晶片相对介电常数 0 真空介电常数 A 工作面面积 晶片厚度
前置放大器
电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 (阻抗变换器) 输出电压输入电压 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源
输出电压输入电荷
1、电压测量电路
U SC
RCa 1 [R(Ca Cc Ci)]2
Ux
1
R(Ca Cc Ci)
U SC
Ca
Ca Cc
Ci
压电陶瓷产生压电效应的原因：
在无外电场作用时，各个电畴在 晶体中杂乱无章的分布，他们的极化 效应相互抵消，呈中性，极化强度为 零。
在外电场作用下，电畴的极化方向 发生转动，转到与外电场一致方向排 列，从而使材料得到极化。
当外电场消除后，有剩余极化，它 有较强的矫顽力，虽不规则，但仍有 向极化方向排列的趋势，极化强度不 再为零。
§3－4 电容式传感器
一、工作原理及分类
电容传感器是以各种类型的电容器作为传感 元件，将被测参数微小变化的信息转换成电容量 的变化，然后通过测量电路转换成电压输出。
平板电容为 C 0A
极板介质的相对介电常数 0 真空介电常数 A 极板面积 极板间距
分类
变极距型—变极板间距 变面积型—变极板面积 变介电常数型—介质变化
这种联接，输出电荷大，本身 电容大，允许被测对象变化频率 稍低。
2）串联：用于电压作为输出量场合。 U’=2U Q’=Q 则C’=（1/2）
C 这种联接，输出电压大，本身 电容小，要求后续电路有较大的 输入阻抗。
三、测量电路
输出阻抗很高
输出阻抗适当降低
压电传感器
前置放大器
一般仪器
前置放大器的作用
阻抗变换作用：高阻抗低阻抗 放大传感器输出的微弱信号