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时间:2019-06-23
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1、第六章、压电式传感器6.1压电式传感器一、变换原理:压电效应1、某些物质,如石英,受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化,而且内部会被极化,表面产生电荷;当外力去掉时,又重新回到原来的状态,这种现象称为压电效应。yx压电元件:在压电材料的两个表面加上导电的极板构成。F+q=dFd:压电系数纵向压电效应:X方向施力,X方向电荷,产生电荷多少与晶体尺寸无关。横向压电效应:Y方向施力,X方向电荷,产生电荷多少与晶体尺寸有关。二、压电材料(自学)压电晶体;压电陶瓷;高分子压电材料某些物质置于电场中,在电场的作用下产
2、生机械变形,当外电场去掉之后,变形也随之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电压效应,也叫作电致伸缩。2、逆压电效应压电材料是绝缘电阻很高的材料,因此可把压电元件看成一个电容器:在压电元件的两个电极上积聚了正负电荷,压电元件又相当于一个电荷发生器:6.压电式传感器6.2测量电路一、等效电路qCiaRiRaCaCaqCL⑴电荷等效电路:电荷源与一个电容并联等效电路实际电路Ca:传感器等效电容;Ra:泄露电阻Ri:放大器的输入电阻;Ci:放大器的输入电容;CL:连接电缆电容6.压电式传感器⑵电压等效电路:电压源
3、与一个电容串联+-+-CaCiRiRaCaCL等效电路实际电路6.压电式传感器6.压电式传感器6.2测量电路压电式传感器输出电信号很微弱,通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗变换后,方可输入到后续显示仪表中。前置放大器的作用有两点;其二是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;其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:一种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
4、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。6.2测量电路6.压电式传感器1.电压放大器(又叫阻抗变换器,将高阻抗输出转为低阻抗输出)UOCa+-CaCiRiRaCLAUOCaA等效为+-UaRaCL电压放大器电路2、电荷放大器电荷放大器实质是一个深度负反馈、高增益的运算放大器,在上图中,略去了电荷放大器的输入电阻和传感器的泄露电阻(但两个电阻必须足够大)。-A:放大器的开环增益,负号表示输入输出反相;RF、CF:反馈电阻与反馈电容。放大器输入电压:放大器输出电压:如果可
5、忽略传感器等效电容、连接电缆电容和放大器的输入电容的影响,即:从输出端折合到输入端这是电荷放大器的一大优点,也是为什么常使用电荷放大器的原因。并联:电容增大(时间常数也增大),电荷灵敏度增大,适用于缓慢变化的信号并以电荷作为输出的场合。串联:电压增大,电压灵敏度提高,电容减小(时间常数也减少),适用于高频信号并以电压作为输出的场合。6.3压电传感器的应用6压电式传感器6压电式传感器6.3压电传感器的应用振动测试测量的参数:振动位移、振动速度和振动加速度,可通过积分、微分相互转换。测振传感器:又称拾振器。相对
6、式振动传感器:使用不方便,一般不使用。一、压电式测力传感器二、压电式加速度传感器与机械振动的测量绝对对式振动传感器:质量块+弹簧+阻尼;装在被测物体上6压电式传感器6.3压电传感器的应用(2)压电式加速度传感器测量范围:固有频率一般40—64kHz,可测频率范围小于1/5—1/10的固有频率附加质量的影响:加速度降低,固有频率降低。(1)位移传感器电阻式、电感式、电容式和霍尔元件等传感器均可作为位移传感器只有当质量m较大,弹簧刚度较小,振动频率足够高时,质量块来不及跟随振动体一起振动,质量块相对基座的位移才
7、近似等于振动体的振幅。产品压力变送器加速度计力传感器6压电式传感器案例:飞机模态分析6.压电式传感器(3)压电式超声波传感器超声波传感器:压电效应和逆压电效应的一个应用:压电材料(发射探头)压电材料(接收探头)高频交变电压信号超声波传送交变电压信号高频超声波的波长短,不易产生绕射,碰到杂质或分界面就会有明显的反射,方向性好,能定向传播,在液体和固体中衰减小,有很强的穿透能力。超声波传感器的应用:无损、非接触检测①超声波探伤(参见教材P92,图6-16)高频信号发生器(产生高频正弦信号)工件发射探头接收探头放
8、大器显示高频信号发生器(产生高频正弦信号)发射探头接收探头放大A/D计算机加了凝乳酶的牛乳恒温水箱②牛乳凝固点的探测固态液态固液共存电压(V)时间(min)0案例:热轧设备诊断6.压电式传感器作业:p92,2,3,4邮箱:帐号:2006gccs@163.com密码:gccsjs
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