【医学生物课件】压电式传感器

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1、 5 3压电式传感器 5 3 1压电式传感器的工作原理5 3 2等效电路及信号变换电路5 3 3压电式加速度传感器5 3 4压电式测力传感器下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 2 5 3 1压电式传感器的工作原理电势型传感器以压电效应为基础压电效应可逆双向传感器正压电效应某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时其表面上会产生电荷若将外力去掉时它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为正压电效应加力变形产生电荷上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 3 逆压电效应在压电材料的两个电极面

2、上如果加以交流电压那么压电片能产生机械振动即压电片在电极方向上有伸缩的现象压电材料的这种现象称为电致伸缩效应也叫做逆压电效应施加电场电介质产生变形应力常见的压电材料有石英钛酸钡锆钛酸铅等医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 4 1 石英晶体的压电效应 X轴电轴或1轴 Y轴机械轴或2轴 Z轴光轴或3轴纵向压电效应沿电轴 X轴方向的力作用下产生电荷横向压电效应沿机械轴 Y轴方向的力作用下产生电荷在光轴 Z轴方向时则不产生压电效应上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 5 晶体切片当沿

3、电轴方向加作用力Fx时则在与电轴垂直的平面上产生电荷 d11 压电系数 C N 作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面上一页下一页返回此时医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 6 切片上电荷的符号与受力方向的关系图 a 是在X轴方向受压力图 b 是在X轴方向受拉力图 c 是在Y轴方向受压力图 d 是在Y轴方向受拉力上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 7 石英晶体的压电效应 a 正负电荷是互相平衡的所以外部没有带电现象 b 在X轴方向压缩表面A上呈现负电荷 B表面呈现正电荷 c 沿Y轴方向压

4、缩在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 8 石英晶体一种天然晶体压电系数d11 2 31 10 12C N 莫氏硬度为7 熔点为1750 膨胀系数仅为钢的1 30 优点转换效率和转换精度高线性范围宽重复性好固有频率高动态特性好工作温度高达550 压电系数不随温度而改变工作湿度高达100 稳定性好上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 9 2 压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体压电机理与压电晶体不同压电陶瓷的极化上一页下一页返回医术是

5、一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 10 陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用因此陶瓷片对外不表现极性上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 11 压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力陶瓷片将产生压缩变形原来吸附在极板上的自由电荷一部分被释放而出现放电现象当压力撤消后陶瓷片恢复原状片内的正负电荷之间的距离变大极化强度也变大因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象放电

6、电荷的多少与外力的大小成比例关系上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 12 Q 电荷量 d33 压电陶瓷的压电系数 F 作用力医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 13 常见压电陶瓷 1 钛酸钡 BaTiO3 压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数机械强度不如石英 2 锆钛酸铅Pb Zr Ti O3系压电陶瓷 PZT 压电系数较高各项机电参数随温度时间等外界条件的变化小在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素可以获得不同性能的PZT材料 3 铌镁酸铅Pb MgNb O3 PbTiO3 PbZrO3压电陶瓷 PMN 具

7、有较高的压电系数在压力大至700kg cm2仍能继续工作可作为高温下的力传感器上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 14 5 3 2等效电路及信号变换电路 1 压电元件的等效电路2 压电式传感器的信号调节电路上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 15 1 压电元件的等效电路上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 16 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的串联电路上一页

8、下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 17 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上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 18 2 压电式传感器的信号调节电路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因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器

9、然后再接一般的放大电路及其它电路测量电路关键在高阻抗的前置放大器前置放大器两个作用把压电式传感器的微弱信号放大把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 19 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 放大器的输入电容上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 20 前置放大器输入电压压电元件的力F Fmsin t压电元件的压电系数为d11 产生的电荷为Q d11 F 输入电压的幅值当作用力是静态力

10、 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上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 21 传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量而测量回路的时间常数又不大则造成传感器灵敏度下降因此为了扩大传感器的低频响应范围就必须尽量提高回路的时间常数但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的切实可行的办法是提高测量回路的电阻由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻放大器的输入电

11、阻越大测量回路的时间常数就越大传感器的低频响应也就越好上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 22 电压放大器应用限制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电压放大器与电荷放大器相比电路简单元件少价格便宜工作可靠但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 23 解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中组成一体化传感器上

12、一页下一页返回压电式加速度传感器医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 24 压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片放大器是一个超小型静电放大器这样引线非常短引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响放大器的输入端可以得到较大的电压信号这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 25 2 电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源而且输出电压正比于输入电荷因此电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用其输入阻抗高达1010 1012 输

13、出阻抗小于100 使用电荷放大器突出的一个优点在一定条件下传感器的灵敏度与电缆长度无关上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 26 压电传感器与电荷放大器连接等效电路 K是放大器的开环增益 K 表示放大器的输出与输入反相若开环增益足够高则放大器的输入端的电位接近地电位上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 27 充电电压接近等于放大器的输出电压几点结论 1 电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系 2 只要保持反馈电容的数值不变就可

14、得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压 3 反馈电容Cf小输出就大 4 要达到一定的输出灵敏度要求就必须选择适当的反馈电容 5 输出电压与电缆电容无关条件 1 K Cf Ca Cc Ci 上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 28 5 3 3压电式加速度传感器压缩式压电加速度传感器结构上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 29 测量原理当传感器感受振动时质量块感受与传感器基座相同的振动并受到与加速度方向相反的惯性力的作用这样质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上由于压电片压电

15、效应两个表面上就产生交变电荷当振动频率远低于传感器的固有频率时传感器的输出电荷电压与作用力成正比亦即与试件的加速度成正比输出电量由传感器输出端引出输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度如在放大器中加进适当的积分电路就可以测出试件的振动速度或位移上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 30 5 3 4压电式测力传感器压电元件是直接把力转换为电荷的传感器变形方式利用纵向压电效应的TE方式最简便材料选择决定于所测力的量值大小对测量误差提出的要求工作环境温度等各种因素晶片数目通常是使用机械串联而电气并

16、联的两片晶片电气并联两片可以使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 31 单向压电式测力传感器用于机床动态切削力的测量上一页下一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 32 压电式压力传感器测量均布压力的传感器上一页返回医术是一切技术中最美和最高尚的希波克拉底专业分享敬请收藏 33 拉紧的薄壁管对晶片提供预载力而感受外部压力的是由挠性材料做成的很薄的膜片预载筒外的空腔可以连接冷却系统以保证传感器工作在一定的环境温度条件下避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差

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