《压力、应力和力的》PPT课件.ppt

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1、第三章压力、应力和力的检测§3-1压电式压力传感器§3-1-1压电转换元件的工作原理一、压电方程和压电常数矩阵压电效应正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象；逆压电效应——如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形的现象。天然石英晶体的结构外形光轴(Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,且无压电效应；电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著;机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最大。压电方程——压电效应的数学表达式压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比。精

2、确表达式式中：dij是压电常数，单位为（C/N）；Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2);σi是单位面积上的作用力（应力），单位为(N/cm2）。压电常数矩阵：一般情况下压电方程：二、石英晶体压电效应机理单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz），只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx，Fy有关：(1)P1≠0，P2=P3=0,(当只有Fx或Fy时)：d11=-d12≠0,d21=d31=0,d22=d32=0;(2)P1=P2=P3=0,(当只有Fz时)：d13=d23=d33=0;剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D上出现电荷：(3)P1≠0，P2=P3=0,(当只有σ

3、4时,使晶体在x方向有伸缩,等效有σ1作用)：d14≠0,d24=d34=0;(4)P2≠0，P1=P3=0,(当只有σ5、σ6时,改变了晶体在y方向无电荷的状况)：d25≠0,d26≠0,d15=d35=0,d16=d36=0;压电常数矩阵对石英晶体。三、压电陶瓷压电效应机理压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。多晶：由无数细微单晶组成；铁电体：具有电畴结构；电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴”规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形成压电陶瓷。压电常数矩注意事项：极化面在

4、Z轴，而X，Y轴各向同性。单向应力的压电方程表达其中，P=Q/S，σ=F/S（S为作用面的面积），压电陶瓷与石英晶体比较压电陶瓷效果显著。§3-1-2压电式传感器的测量电路一、压电式传感器的等效电路压电式传感器相当于一个电荷/电压源及一个以压电材料为电介质的电容。，压电式传感器的灵敏度电压灵敏度：单位力产生的电压；电荷灵敏度：单位力产生的电荷；，Ra是压电元件的漏电阻二、压电式传感器的测量电路两种电路形式电压放大器和电荷放大器：Ri、Ci、Cc分别为放大器的输人电阻、输人电容和电缆线的电容1、电压放大器作用：阻抗变换——将传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱

5、的电压信号进行适当放大。其中以压电陶瓷为例设用复数表示放大器的输入电压电压Ui的幅值电压Ui与作用力之间的相位差：令得电压幅值比和相角与频率比的关系曲线ω=0，Um=0，电荷被泄漏，压电式传感器不能测量静态量(灵敏度下降)；ω>3ω1,Um与作用力的频率无关,高频响应非常好;电压灵敏度要扩大低频响应范围,必须增加R(而不是C)来增加测量回路的时间常数τ=R(C+Ca),否则,kU下降;当ωR>>1时,放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自身电容,电缆线电容有关。更换电缆需重新标定系统灵敏度。2、电荷放大器特点：消除电缆分布电容的影响；具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。电路

6、简化：忽略Ri，Ra（∞），运放的K足够大,高频忽略RF；由于(1+K)CF>>(CC+Ca+Ci),特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q，输出灵敏度不受电缆分布电容的影响;(2)适用于——高频(gF<

7、=?测量加速度压电式压力传感器特点：压电元件并联使用《传感器》哈工大，强锡富（带习题）《传感器设计与应用》，国防科大，刘迎春等，《传感器与检测技术》，高教，陈杰等，（带习题）《检测技术》，西安电子科大，栾桂冬等，§3-2电阻应变式压力传感器§3-2-1应变电阻效应根据有其中，εx轴向(纵向)应变，εy径向(横向)应变。代入其中（金属）（半导体）ρ为材料的压阻系数，E为材料的弹性模量；Km金属丝应变灵敏度系数；Ks半导体应变灵敏度系数；Ko导电丝材料应变灵敏度系数；§3-2-1金属电阻应变片结构及材料金属丝式结构：轴