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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。,压电元件：在压电材料的两个表面加上导电的极板构成。,d: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
2、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,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,电压等效电路：电压源与一个电容串联,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
3、，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）,UO,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
4、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
5、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4064kHz，可测频率范围小于1/51/10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
6、来不及跟随振动体一起振动，质量块相对基座的位移才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,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,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：密码：gccsjs,
