>

式中:u(k)—系统输入观测量;z(k)—系统输出观测量;ε(k)—残差;

-1-A(d)=1+a1d

1

+a2d-2+…+and-1

nn

(3)(4)

B(d

-1

)=b0+b1d-+b2d-2+…+bnd-

式中:d-1—后移位算符;n—模型阶次;

要求根据给定的观测序列{u(k)},{z(k)}(k=1,2,…,N0)确定模型的阶次^n,并求出该阶模型参数的最

小二乘估计。在输入测量噪声可忽略的情况下,假设输出端的干扰是一零均值白噪声,如图1所示。

则有

图2 系统建模步骤图

图1 输出端干扰为白噪声时的系统方块图

对于参数估计问题,所考虑的系统一般假定系统的

-1

A(d)

(k)=e(k)(5)

输出都受噪声的污染,在此情况下,参数估计问题的本质是个统计问题。参数估计理论是统计学中的一个基本内容,也是动态系统辨识的理论基础。参数估计理论有四种基本方法,如贝叶斯估计、极大似然估计、线性最小方差估计和最小二乘估计。在本文数据的处理过程中采用(6)式特殊白化滤波器的最小二乘估计。具体计算步骤

由此白化滤波器为:

c(d-1)=1/A(d-1)

(6)

采用这种特殊白化滤波器时无需估计白化滤波器的参数ci和阶次P。这样既使算法大为简化,又避免了由于白化滤波器阶次的估计不当带来的误差,从而提高了计算的精度。

如图3流程图。

58    《计量与测试技术》2009年第36卷第4期

左端传播的膨胀波。激波的压缩作用,会使实验气体的参量有相应的变化,例如压强P和温度T有较大的提高,从而得到符合模拟要求的工作条件。由于激波运动相当迅速,经激波压缩后的实验气体参量只能在短暂时间(通常是毫秒级到微秒级)内保持不变,相应的流动也只在短暂时间内保持定常,

图4 激波管动态压力校准系统

212 压力传感器的动态系统的建模与仿真

这里对Kistler公司的6213型压电式压力传感器进行动态校准实验,获得系统输入输出观测数据。由这组实验数据及辨识理论便可建立差分方程:(3阶模型):

y(k)-216997y(k-1)+216251(k-2)-019226(k-3)=-111358x(k)+319877x(k-1)-413688x(k-2)+115198x(k-3)

(7)

由差分方程转化为连续的传递函数采用双线性变

图3 特殊白化滤波器广义最小二乘法计算流程图

换,这种变换要求采样频率较高,否则变换误差较大。在本文中采样频率为1MHz满足精度要求,予以采用。传递函数为:

3221216

(8

)G(s)=

712185s3+616903×102s2+117611×1012+513835×1016

113 建模步骤

如(2)式中,e(k)为白噪声,故可用最小二乘法求得参数ai,bi,i=0,1,…,n(a0=1)的无偏估计。但由于

ai,bi尚未估计出来之前u(k)、z(k)是未知的,因而需

用迭代法加以估计。其步骤如图3所示,直至迭代收敛或达到最大迭代次数为止。2 动态校准过程

211 压力传感器动态校准实验的设计

目前,在所有的动态压力校准装置中,激波管被认为是最好的压力传感器校准装置。激波管用于压力传感器动态校准时,激波管系统产生一个阶跃压力作为标准信号加在被测压力传感器上,通过对其的输出响应分析去校准压力传感器,分析压力传感器的实际工作性能。激波管在这里相当于电学中的信号源,提供一个理想的阶跃信号。图4即是一种激波管动态压力校准装置,产生典型的阶跃压力信号,其通常是一根两端封闭的柱形长管,中间用一膜片隔成两段,分别充以满足模拟要求的高压驱动气体和低压被驱动气体。膜片破裂后,高压气体膨胀,产生向右端低压气体中快速运动的激波,并产生向

图5 压电式压力传感器建模仿真图

杨兆欣等:压电式压力传感器的一种动态建模方法

59

则,这是符合实际系统的真实性能的。基于上述原因采用图8的频率特性曲线进行动态性能指标分析。213 压力传感器的动态性能指标

利用Matlab/Simulink对该系统进行建模和仿真,由于篇幅有限,在这里就没有给出所有子模块的内部封装图,而只是给出了总的系统仿真模型,如图5所示。其中主要包括:输入源子模块(FromWorkplace)、传递函数子模块(Transfer-fan)、接收器子模块(ToWork2place)。仿真算法采用二/三阶龙格—库塔算法。其中传

频域的动态性能指标中最常见的是通频带ωb(或在对数幅频特性曲线上衰减3分贝)。对于仪表与传感器较实用的是工作频带ωg即幅值误差为±5%或±10%(,1%或2%等)的两种工作

递函数模块(TransferFcn)中各个参数为式(8)各阶系数,通过仿真研究,得到系统的时域仿真波形,最终结果在显示器模块(Scope)中显示,如图6所示。图61为实验曲线,曲线2为模型计算曲线

ωg1。

8:幅值误差为±10%的工作频带为ωg1=61387kHz,幅值误差为±5%的工作频带为ωg2=1613kHz,谐

振频率为ωx=7714kHz,谐振峰值为Am=42151。3 结束语

本文基于Matlab/Simulink运用特殊白化滤波器的广义最小二乘法,结合激波管压力传感器的动态校准的

图6 压电式压力传感器冲击响应

具体问题,建立了以传感器为主的测试系统的动态模型,实现了压力传感器系统模型框架,仿真结果表明:Mat2lab/Simulink对于复杂的传感器系统来说是一种很好的

由图6可以看出实验曲线和模型计算曲线相当吻合,说明用上述3阶模型描述该压力传感器的动态性能是合适的。

实验FFT频率特性曲线如图7所示,模型计算的特性曲线图

8所示:

仿真工具。并且通过仿真波形的分析也验证了特殊白化滤波器的广义最小二乘法,可以大大简化建模过程,同时具有较好的收敛性,适合于动态校准实验数据处理中建立差分方程模型。

参考文献

[1]张国梁.神经网络在测试系统中的非线性建模方法研究及其应用[D].中北大学硕士毕业论文,2008(6).

[2]黄俊钦.测试系统动力学[M].北京:国防工业出版社,1996[3]俞阿龙.基于遗传神经网络的加速度传感器动态建模方法[J].仪

器仪表学报,2006,27(3):315.

[4]JJESlotine,WLi.Appliednonlinearcontrol[M].EnglewoodCliffs,USA∶Prentice-Hall,1991.

由图7和图8中可以看出由被校准系统输入和输出信号的离散采样值,用快速傅立叶变换(FFT)算法计算的系统频率特性和用时间域建模方法建立的动态数学模型计算的频率特性是有较大差别的。由实验数据用FFT算法计算的系统频率特性曲线不光滑和不规则,而

(5).

[5]魏巍.MATLAB控制工具箱技术手册[M].北京:国防工业出版

社,2004.

[6]黄俊钦.测试系统动力学[M].北京:国防工业出版社,1996.[7]李言俊,张科.系统辨识理论及应用.北京:国防工业出版社,2003

模型计算的频率特性曲线比较光滑而有规则。这些差别从许多计算结果可以明显地看出是由测量噪声造成的。因为被校准系统的输入输出信号的离散采样值是带有测量噪声的,所以,用FFT算法计算的系统频率特性曲线也是带有测量噪声的,这些噪声使曲线变得不光滑和不规则。而时间域建模方法却能消除或减弱测量噪声的影响,所以,用模型计算的频率特性曲线比较光滑而有规

[8]黄俊钦,顾健雄.高g值加速度计和压力式力传感器的动态校准[J].计量学报,2001,22(4)303.

作者简介:杨兆欣,男,研究生。工作单位:中北大学电子测试技术国家重点实验室。通讯地址:030051山西太原中北大学864#信箱。

杜红棉,范锦彪,祖静,中北大学电子测试技术国家重点实验室(太原

030051)。

收稿时间:2008-12-11

范文八:压电式传感器

第五章 压电式传感器

本章主要内容:

压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电材料,它是典型的有源传感器。本章介绍压电式传感器的工作原理、着重是压电晶体和压电陶瓷两类压电材料;讨论压电式传感器的等效电路和测量电路。要求初步掌握压电式传感器的原理及应用。

第二讲 压电传感器的等效电路及测量应用

教学目的要求:1.掌握压电元件的等效电路和测量电路;

2.了解压电传感器的基本应用。

教学重点:压电元件的等效电路和测量电路

教学难点:压电传感器的应用

教学学时:共2学时

教学内容:

一、压电式传感器的等效电路

等效电路:www.fanwen99.cn

p>

1)压电元件等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路,如图5-4(a)所示。电容器上的电压Ua,电荷量Q和电容Ca三者关系为

UaQ Ca

2)压电元件也可以等效为一个电压源和一个电容串联表示的电压等效电路,如图5-4(b)所示。 Ca

Q UaUaUoCa

(b) 电压等效电路 (a)电荷等效电路

图5-4压电式传感器的等效电路

二、 压电式传感器的测量电路

1. 测量电路

如图5-6所示,压电式传感器的输出信号非常微弱,通常需要将其放大后才能进行检测。又因为传感器的内阻抗极高,因此需要有阻抗非常高的前置放大器与之匹配,然后再使用一般放大、显示、检波、记录等电路。

图5-6 电荷放大器等效电路图

当A>>1时,则

(1A)Cf(CaCcCi)

UoAQQ (1A)CfCf

说明:1)电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关,电缆电容等其他因素可忽略不计,这是电荷放大器的特点,也正因为这一特点使得电荷放大器得到广泛的应用。

2)采用电荷放大器的原因:电压放大器中的输出电压与电缆电容有,关因而大都采用电荷放大器。

3)压电传感器的测量对象:动态量,

原因:由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,这需要转换电路具有无限大的输入阻抗,但实际上是不可能的,因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下,电荷可以不断补充,可以供给转换电路以一定的电流,故只适用于动态测量。

三、压电式传感器的应用

1. 压电元件的串并联使用

在压电式传感器的使用中,为了提高灵敏度,常常把几片同型号的压电元件叠在一起使用。

并联:图5-7(a)是两个压电片的负极粘在一起,中间插入的金属电极成为两压电片的负极,正电极在两边的电极上。从电路上看,这是并联接法,类似两个电容的并联。所以,外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍,电容量也增加一倍,输出电压与单片时相同。

串联:图5-7(b)是两压电片不同极性端粘在一起,电路上是串联的。两压电片中间粘接处正负电荷中和,上、下极板的电荷量与单片时相同,总电容量为单片的一半,输出电压增大一倍。

(a) (b)

图5—7 压电元件连接方式

2. 压电传感器的特点

体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、测量频率范围宽等优点,是应用较广的力传感器,但不能测量频率太低的被测量,特别是不能测量静态量,目前多用于测量加速度和动态的力或压力。

3 . 压电传感器的应用

1).压电式测力传感器

2、压电式加速度传感器

本讲小结

压电元件当其表面产生电荷后,可以等效为一个电荷源与电容并联电路,也可以等效为一个电压源和一个电容串联电路。不论是并联等效电路,还是串联等效电路,要想保持电容上的电荷不变,则要求后续电路的输入阻抗为无穷大,但这是不可能的,因此压电式传感器不能用于静态测量。压电式传感器输出信号非常微弱,且传感器的内阻极高,故测量时需要有一内阻非常高的放大器与之匹配,实际应用时大多采用电荷放大器作为压电式传感器的前置放大器。

作业

1 .压电式传感器能否用于重力的测量?为什么?

2. 根据图5-11(a)所示石英晶体切片的受力和产生电荷的方向,标出图5.11(b)、(c)、(d)晶体切片上产生电荷的符号。

yy

图5-11 石英晶体切片的受力示意图

3. 图5-12是振动式粘度计的原理示意图。导磁的悬臂梁6与铁心3组成振动器,压电片4粘贴于悬臂梁上,振动板7固定在悬臂梁的下端,并插入到被测粘度的粘性液体中。请分析该粘度汁的工作原理。

1—交流激励源;2—励磁线圈;3—电磁铁心;

4—压电片;5—质量块;6—悬臂梁;7—振动板;8—粘性液体;9—容器

图5-12 振动式粘度计的原理示意图

范文九:压电式压力传感器(带信号放大解调滤波电路)

题目:压电式压力传感器的设计

姓名:刘福 班级:3 学号:1003030321 专业:测控技术与仪器

目 录

引言

第一章 传感器基本原理

第二章 传感器的基本要求

第三章 传感器的结构设计

第四章 传感器的参数计算

第五章 测量电路信号处理电路 总结

参考文献

一、引言

此次压电式力传感器主要阐述了压电式力传感器的具体设计过程。 设计过程主要包括设计格式、设计要求及设计过程中有关压电式力传感器的设计,还有在整个设计过程中的有关计算、与传感器相连的测试电路。

本压电式传感器采用压缩型单项里传感器结构,利用纵向压电效应进行工作,在设计中压电材料采用石英晶体。由于安装中需施加预紧力,以保证该传感器的线性度良好,故留出一定的过载量,本设计中重点考虑了各部分的面积、刚度等参数,未讨论预紧力的选用范围,可能还存在一些其他因素,如安装误差等可以影响设计传感器的性能,属于正常范围内,使用中可忽略。

压电式传感器的设计,主要是让同学们了解传感器的设计过程,知道如何计算一些参数,如何设计尺寸,如何选择材料,把自己学到的知识熟练灵活的运用起来,活学活用,加深对传感器这门课程的认知。

第一章 传感器基本原理

1、基本原理:压电效应

压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转

换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。常见有以下

www.fanwen99.cn
几种压电效应模型(见图1)

图1

压电效应可分正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指:当晶体受到某固定方向外力的作用,内部就产生电极化,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象,又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、面切变型 5种形式。

(见图2)

图2

2、石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiO2。

定义:

x:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最强,称为电轴。 y :垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称为机械轴。 z :无压电效应,中心轴,也称光轴。

当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为Qx = d11 Fx。

式中: d11——x方向受力的压电系数 Fx——作用力

若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,

其大小为

Qy=d12Fy a/b

式中: d12——y轴方向受力的压电系数

d12=-d11

a、 b——晶体切片长度和厚度

(1)当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。

(2)当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。

(3)当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。

(4)如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。

3、压电关系表达式:Q=d*F

,其中d:压电常数

更一般表达式:电荷密度q ,(用单位面积受力表示)

其中:i=1,2,3表示晶体极化方向,指的是与产生电荷的面垂直的方向;

j=1,2,3,4,5,6表示受力方向,1~3表示x,y.z向受力,4~6表示剪切力方向 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷

受x向(拉)力作用后在z方向产生电荷的表达式: 受z向力作用后在z方向产生电荷的表达式: 各表达式见图片:

第二章 传感器的基本要求

基本要求

1.工作在常温、常压、静态、环境良好 2.精度:0.1%FS 3.测量范围700kg

4.装配图一张,零件图一张 5.电路图一张

第三章 传感器的结构设计

传感器的结构设计及计算

传感器的结构如下图

图一 1、顶盖 2、敏感元件 3、导电片 4、基座

5、外壁 6、预紧螺钉

该传感器由顶盖、敏感元件、导电片、基座、外壁、预紧螺钉和输出插座组成。通过预紧螺钉加预紧力,将顶盖、基座和外壁焊接为一体,输出插座可与同轴低噪声电缆连接。

第四章 传感器的参数计算

1、压电晶体(石英)的几何尺寸

石英片在机械强度上必须满足公式 S 式中: S为石英晶片的受力面积 F 为传感器待测力的最大力

为石英晶体的许用应力,为17.5 kg/mm2

本设计中传感器的额定负载为400 kg,由于包括预紧力,并留出一定的过载量,取最大负载量为700 kg,因而S  40 mm2。 设计中取晶片的长为10 mm,宽为6 mm,受力面积60 mm2。 2、石英片的晶片电容值 C0

F

0rS

d

这里取每片石英片的厚度为1.2mm,石英的r=4.5,每片石英片的电容

C0=1.99pF

为了提高传感器的灵敏度,取两片石英片并联方式,所以总的电容大小为3.98pF。

3、传感器刚度参数计算

设在外力F的作用下,传感器的变形为x,F(k1k2)x

式中:k1为敏感部分的组合刚度

k2为辅助部分组合刚度 图二

kk

1决定了传感器的精度,因此,在结构设计中应确保1

k1k2k1k2

尽可能大。

根据公式 K

ES

L

式中:E:弹性模量 S:受力面积 L:受力方向厚度

石英片的弹性模量为80 GPa,受力面积为60 mm2,厚度为2.4 mm,它的刚 度kq=2.00106Nmm

导电片(银片)的弹性模量为71 GPa,受力面积为60 mm2,厚度为0.1 mm,它的刚度kd=4.26107 mm

顶盖(铝合金)的弹性模量70 GPa,受力面积为80 mm2,厚度为1.0 mm,它的刚度为kt=5.60106 mm

基座(钛合金)的弹性模量为120.2 GPa,受力面积为70 mm2,厚度21 mm,它的刚度kb=4.01105 Nmm

预紧螺钉(钢质)的弹性模量为20.5 GPa,受力面积35 mm2,厚度为12 mm,它的刚度ks=5.98104 N

mm

Eh3

根据公式K2

a(12) 式中: E:弹性模量 h:厚度 a:直径

:材料的泊松系数

顶盖的直径为12.1mm,所以顶盖的弹性部分刚度kt'=5.37102Nmm =0.33,外壁的受力面积为7 mm,弹性模量21 GPa,受力方向厚度为39mm,它的刚度kb'=3.77103mm

敏感部分组合刚度k1相当于顶盖,导电片,石英片,基座串联的刚度,即

k1

1

ktkqkbkd

=3.13105Nmm

辅助部分刚度k2为顶盖弹性部分的抗弯刚度kt'与基座外壁的刚度kb'串联,再与

'

kt'kb

预紧螺钉刚度ks并联: k2'ks =6.03104mm '

ktkb

传感器的总刚度为k1与k2的并联 kk1k2=3.73105Nmm 4、传感器的灵敏度

sqn

k1

d11 k1k2

式中: n为晶体片的数目

d11=2.31 N sq=3.88 pCN 5、传感器的谐振频率 f0

12k

式中:m为传感器的顶盖质量 m

m=(2.7103801)g=2.16102kg 所以f=20.91kHz

第五章 测量电路信号处理电路

1、信号放大电路

压电传感器用高保真高阻抗放大器(OPA604)

在自控系统或一些检测系统中,常应用压电器件作为传感器,借以实现将非电量变为电信号,这类传感器等效的信号源具有内阻极高且信号很微弱的特点,因而也必须配接高输入阻抗的放大电路,而且放大电路还必须具有精确放大微弱信号的能力。如图给出了高保真运放OPA604构成的放大电路。该电路采用同相输入方式后可有效地提高放大器的输入阻抗,为了防止交流干扰,压电信号采用

屏蔽线输入,该电路的电压放大倍数为:。AVV0Vi (1RR1)OPA604的主要参数

:

2,

、调制电路

只要用乘法器与测量信号x成正比的调制信号Ux= UxmCOSΩt与载波信号Uc= UcmCOSΩt

相乘,就可以实现双边带调幅。

3、相乘式相敏检波电路(带着低通滤波电路)如下:

电路图如下:

MC1496/MC1496B/MC1496P pdf datasheet

振幅调制信号的解调过程称为检波。常用方法有包络检波和同步检波两种。由 于有载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律,可以用二极管包络检波的方法进行解调。而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接

反映调制信号的变化规律,所以无法用包络检波进行解调,必须采用同步检波方法。

同步检波又分为叠加型同步检波和乘积型同步检波。利用模拟乘法器的相乘原 理,实现同步检波是很方便的,其工作原理如下:在乘法器的一个输入端输入振幅

调制信号如抑制载波的双边带信号us(t)= usmcoswctcosΩt,另一输入端输入同步信

号(即载波信号)uc(t)=ucmcoswc(t),经乘法器相乘,由式(7-9)可 得输出信号 U0(t)为

若US 为抑制载波的调制信号,经MC1496 同步检波后的输出波形Un

a有载波信号解调

b抑制载波信号的解调

总结

经过半个月的努力,我的压电式压力传感器终于设计完了,在设计过程中,我遇到了很多问题,以前总是感觉很简单,没有实际动手过。在这次设计中,我却被这些问题难住了,这就是所谓的知易行难吧。同时也说明了,我们专业理论知识固然重要,但是缺了实际动手能力,在将理论转化为生产力的时候,就会碰壁!这充分说明了实践能力的重要性。

其次,我认为及时的跟老师联系沟通也很重要,老师懂得毕竟比我们多,经验也丰富,有些理论上的东西运作起来可行,但是实际操作却不行,这就要靠老师的经验。

总之,这次设计,我学到了很多。

参考文献:《测控电路》 第四版 天津大学

范文十:压电式传感器

南湖学院

工程测试技术基础

题 目: 压电式传感器

系 部: 机电系

专 业: 机械设计制造及自动化

班 级: 机自四班

姓 名: 张志林

学 号: 24071900257

2010年6月 25日

目录

前言 .................................................................... 错误!未定义书签。

1.工作原理和特性 ............................................................................... 3

1.1变换原理:压电效应 ................................................................... 3

1.2压电式传感器特性 .................................................................... 3

1.3压电式传感器的等效电路 ........................................................ 3

2.测量物理量及范围 ........................................................................... 4

2.1测量物理量 ................................................................................ 4

2.2测量范围 .............................................................

www.fanwen99.cn
....................... 4

3. 压电式玻璃破碎报警器 ................................................................. 5

3.1压电式玻璃破碎报警器简介 .................................................... 5

3.2玻璃传感器的优缺点及改进方案 ............................................ 6

4.技术指标生产厂家及生产价格 ....................................................... 7

4.1基本参数指标 ............................................................................ 7

4.2环境参数指标 ............................................................................ 7

4.3可靠性标 .................................................................................... 7

4.4 其他指标 ................................................................................... 7

5.结论:............................................................. 错误!未定义书签。

6.参考文献......................................................... 错误!未定义书签。

6.1 参考教材: .......................................... 错误!未定义书签。

6.2 参考书: .............................................. 错误!未定义书签。

6.3网络百度检索 ......................................... 错误!未定义书签。

压电式传感器

1.工作原理和特性

1.1变换原理:压电效应

以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。

某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态, 这种现象称压电效应。

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)

在压电材料的两个电极面上,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 )

1.2压电式传感器特性

压电式传感器具有尺寸小、重量轻、工作频率宽,信噪比大等特点,可以测量变化很快的动态压力、加速度、振动等,但不能用于静态参数的测量。在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。

1.3压电式传感器的等效电路

测量电路压电传感器具有两种等效电路:电荷等效电路和电压等效电路,因此其测量电路的前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器

1.3.1电荷放大器

电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高, 放大器输入端几乎没有分流,故可略去Ra和Ri并联电阻。

uoudq Cf

式中 : uo——放大器输出电压;

ucf——反馈电容两端电压。

图1 电荷放大等效路

电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf,与电缆电容Cc无关,且与q成正比,这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度,要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好,在实际电路中,考虑到不同的量程等因素,Cf的容量做成可选择的,范围一般为100~104pF

1.3.2电压放大器(阻抗变换器)

图6-9(a)、(b)是电压放大器电路原理图及其等效电路。

在图6-9(b)中,电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci,而ua=q/Ca,若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用,则其电压为

dFmsintUsint UamCa

式中: Um——压电元件输出电压幅值,Um=dFm/Ca;

d——压电系数。

Cu

u(a)(b)

图 2 电压放大器电路原理及其等效电路图

(a) 放大器电路; (b) 等效电路

2.测量物理量及范围

2.1测量物理量

压电传感元件是力敏感元件,所以它能测量最终能变换为力的那些物理量,例如力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量,可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等,在医药、军工、机械、土木等领域都有很多应用。

2.2测量范围

2.2.1由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,即需要测量回路具有无限大的输入阻抗,这实际上是不可能的, 因此压

电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下,电荷可以不断补充,以供给测量回路一定的电流,故适用于动态测量。所以压电传感器主要用于测变压力和加速度。

2.2.2 压电式传感器在测量低压力时线性度不好,这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致,即低压力下力的传递损失较大。所以不能用压电传感器测量变化缓慢的应力值。但是,可以在力传递系统中加入预加力,称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外,还可以消除传感器内外接触表面的间隙,提高刚度。特别是,它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。

2.2.3压电传感器一般有2~20mA,而且该输出是在变形的瞬间才有的,而且一般阻抗很大,驱动负载能力可想而知,一般用来作传感信号源来用。能否作电源看要给什么样的线路使用

3. 压电式玻璃破碎报警器

3.1压电式玻璃破碎报警器简介

BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器, 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出,输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV,最大输出电压为100V, 内阻抗为15~20 kΩ 。

(a)(b)

图3 BS-D2压电式玻璃破碎传感器

(a) 外形; (b) 内部电路

报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内, 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号,驱动报警执行机构工作。

玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。

图3 压电式玻璃破碎报警器电路框图

3.2玻璃传感器的优缺点及改进方案

3.2.1

缺点1:压电传感器本身的内阻抗很高,而输出信号微弱。

改进方案:测量电路通常接入一个高输入阻抗前置放大器。

把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中(其中,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器)。

前置放大器的作用有两点:其一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。本例采用电压放大器。

缺点2:低频响应范围小

改进方案:提高测量回路的电阻

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不大,则造成传感器灵敏度下降。

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。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。

缺点3:输出电压灵敏度受电缆分布电容影响

改进方案:将放大器装入传感器中,组成一体化传感器。

由于不可避免地存在电荷泄漏,利用压电式传感器测量静态或准静态量值时,必须采取一定措施,使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度

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。

3.2.2

优点:

(1)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

(2)体积小,重量轻,刚度,强度,承载能力和测量范围大,动态相应频带宽,动态误差小

(3)易于大量生产,便于选用,使用和校准方便并适于近测,遥测

(4)压电式传感器突出优点:高频响应相当好。

4.技术指标生产厂家及生产价格

4.1基本参数指标

量程指标:量程范围、过载能力等;灵敏度指标;灵敏度、分辨力、满量程输出等;精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等

4.2环境参数指标

温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标:容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等

4.3可靠性标

工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等

4.4 其他指标

使用有关指标:供电方式(直流、交流、频率及波形等)、功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等;外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等;安装方式、馈线电缆等

例如压电传感器AW10CT0201-51压电超声传感器,技术指标主要有,额定功率(W): 7.5超声功率计

标准测试环境: T=25+/-5摄氏度

谐振频率kHz 51+/-1.0 4294A 1V 阻抗分析仪

谐振阻抗:≤100 4294A 1V阻抗分析仪

静电电容PF 1200+/-20% LCR, at 1000Hz/1V

机电耦合系数≥0.35 4294A 1V 阻抗分析仪

绝缘阻抗M ohms: ≥1000绝缘阻抗计, DC250V

额定功率(W): 7.5超声功率计

可能生产产家有:金汇盛实业有限公司 ,广州市番禺奥迪威电子有限公,兆福企业有限公司

价格为185¥/个