电压型传感器.ppt

关于电压型传感器
第1页，讲稿共147张，创作于星期二
基本要求：
了解电压型传感器的常见类型 理解常见电压型传感器的基本工作原理 掌握常见电压型传感器的测量电路
第2页，讲稿共147张，创作于星期二
主要内容
石英晶体
单晶结构，结晶形状为六角晶柱，是一个正六面体。
光轴
机械轴
电轴
纵轴线z——光轴
穿过棱线且垂直z轴的x轴——电轴 （压电效应最强）
垂直棱面的y轴——力轴（机械轴）（机械形变最明显）
第25页，讲稿共147张，创作于星期二
石英晶体的压电常数：
x方向——存在纵向压电效应 ，横向压电效应 和面切向压电效应 。
y方向——有面切压电效应 和剪切压电效 若 改变受力方向，表面极性也相应改变；
z方向——表面不产生电荷。
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石英晶体的特点
天然晶体，压电系数d11＝×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，稳定性好。
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多晶体压电材料，压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。
未极化前：不具压电性
加外电场
E
撤销外电场
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原始压电陶瓷材料没有压电性，极化后具有压电性。
压电常数为：
钛酸钡
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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。
（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工
作，可作为高温下的力传感器。
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五、压电式传感器
(1)被测量直接转换为电荷输出；
(2)适用于动态测量：电荷只在无泄漏情况下保存，需要测量回路输入阻抗无限大，不适于静态测量。交变力作用下，电荷不断补充，供给回路一定的电流；
(3) 必须有一定的预应力。
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1. 等效电路
——晶片相对介电常数； ——真空介电常数；
S ——工作面面积 ； h——晶片厚度
不同于普通电容器，力消失，电荷消失
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两种等效电路：
注意：不受外力，压电元件只等效为一个电容器Ca。
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并联——相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴。
串联——相邻两片压电元件按极化方向相同粘贴。
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n个元件并联：
n个元件串联：
适合电荷输出，低频信号
适合电压输出，高频信号
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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
前置放大器
电压放大器
电荷放大器
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实际等效电路：
为连接电缆， 为放大器输入电阻， 为输入电容， 为压电传感器泄露电阻，Ca为压电元件的电容。.
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（1）电压放大器（阻抗变换器）
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在压电元件上的力为正弦变化的力 ，有
压电元件产生电荷：
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（1）w>w0，认为输出与频率无关；
（2）低频段，应减少w0，必须增大R，前置放大器输入阻抗应高；
（3）w＝0，输出为0，不能测静态力；
（4）CC改变，输出会变，连接电缆不能随意更换，否则有测量误差。
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（2）电荷放大器
由一个反馈电容 和高增益运算放大器构成。略去 和 并联电阻。
运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流。
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与电缆电容无关
A不是很大，产生误差
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结论：
1、压电传感器不能测量静