部分传感器原理4-磁电-压电与热电式

《部分传感器原理4-磁电-压电与热电式》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、二、压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置。第四节磁电、压电与热电式传感器在用做加速度传感器时，可测频率范围从0.1Hz~20kHz，可测振动加速度按其不同结构可达10-2~105m/s2。用做测力传感器时，其灵敏度可达10-3N。优点：体积小、质量小，精确度及灵敏度高等。现在与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技术性能的日益提高，使这种传感器的应用愈来愈广泛。1.压电效应←变换原理某些物质，如石英，受到外力作用时

2、，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面出现电荷，形成电场；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。压电式传感器压电效应是可逆的，即将压电晶体置于外电场中，其几何尺寸也会发生变化—逆压电效应实验证明：压电效应和逆压电效应是线性的，即晶体表面出现电荷的多少与形变的大小成正比，当形变改变符号时，电荷也改变符号；在外电场作用下，晶体形变的大小与电场强度成正比，当电场反向时，形变也改变符号。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横

3、向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电效应与方向压电式传感器2.压电材料常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。石英是压电单晶中最具有代表性的，应用广泛。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷制作方便，成本低，压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件多数采用压电陶瓷。高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量

4、生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。压电式传感器3.压电式传感器及其等效电路在压电晶体的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。如图所示在压电晶体受到外力作用时，在两个极板上将聚积数量相等、极性相反的电荷，形成了电场。F+q=deFd金属板因此压电传感器可看作是一个电荷发生器，又是一个电容器，其电容量为等效电荷源压电式传感器适宜作动态测量。压电式传感器+并接+串接实际压电传感器中，通常用两个或两个以上的压电晶片进行并接或串接使用。并接：电容量大、输出电荷量多、时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以

5、电荷量输出的场合。串接：电容量小、输出电压大，适用于以电压作为输出信号的场合。压电式传感器4.测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量很小，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。前置放大器电路的主要用途有两点：①将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；②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：①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；②是带电容反馈的电荷放

6、大器，其输出电压与输入电荷成正比。①使用电压放大器时，放大器的输入电压如式(3-38)所表达。由于电容C包括了Ca、Ci和Cc，其中电缆对地电容Cc比Ca和Ci都大，故整个测量系统对电缆对地电容Cc的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会引起Cc的变化，导致传感器输出电压u的变化，从而使仪器的灵敏度也发生变化。压电式传感器②电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器，当略去传感器漏电阻及电荷放大器输人电阻，它的等效电路如下图(3-38)所示。由于忽略漏电阻运算放大器的开环增益为A，则有若A足够大，则简化为式(3-39)表明，在一定条件下，

7、电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器突出的优点。但与电压放大器相比，其电路复杂，价格昂贵。(3-39)压电式传感器第十节传感器选用原则根据测试目的和实际工作条件，主要从以下几个方面考虑如何合理地选用传感器。一、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好→意味着传感器所能感知的变化量越小，被测量稍有微小变化时，传感器就能有较大输出。但需要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰b)横向灵敏度和交叉灵敏度c)测量范围←信噪比愈大愈

8、好←愈小愈好←最大输入量不能超出量程范围，以免进入非线性区和饱和区。传感器的输入量=被测量+干扰量当灵敏度愈高时，与测量信号无关的外界干扰也愈容易混入，并被放大装置