【正文】 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 壓電引信原理電路 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 71 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電式料位測(cè)量系統(tǒng) ? 壓電式料位測(cè)量系統(tǒng)原理電路如圖所示。它具有瞬發(fā)度高、安全可靠、不需要配置電源等特點(diǎn) ,常應(yīng)用于破甲彈上 ,對(duì)提高彈丸的破甲能力起著極其重要的作用。 眾多的壓電加速度傳感器分布在軸承等高速旋轉(zhuǎn)的要害部位 ,并用螺栓剛性固定在振動(dòng)體上 。 該測(cè)溫儀能夠進(jìn)行 T1和 T2兩路的溫度測(cè)量 ,還能確定溫差 T1T2,轉(zhuǎn)換分辨率選擇開(kāi)關(guān) ,可按 10 103或 104176。 為了降低熱惰性 ,壓電元件置于外殼的上蓋附近 ,使其與上蓋的間隙盡量小 。 例如 ,要求溫度變化 1176。 總的溫度系數(shù)可以從 20 106/176。 α晶型沒(méi)有壓電效應(yīng)。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 52 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 當(dāng)電極上加上電激勵(lì)信號(hào)時(shí) , ? 利用逆壓電效應(yīng) ,振子將按其固有共振頻率或其泛音產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) ,與此同時(shí)按照正壓電效應(yīng)電極板上又將出現(xiàn)交變電荷 ,通過(guò)與外電路連接的電極對(duì)振子予以適當(dāng)?shù)哪芰垦a(bǔ)充 ,便可構(gòu)成使電和機(jī)械的振蕩等幅地持續(xù)下去的振蕩電路。 ? 石英晶體的缺點(diǎn)是壓電常數(shù)較小 ,因此 ,它大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器 、 高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中用作壓電元件 ，在一般要求測(cè)量用的壓電式傳感器中 ， 則基本上采用壓電陶瓷 。 ? 另一種著名的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛 （ PZT） 壓電陶瓷 ,它是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體 。 ） 切型 ,表示晶體的厚度方向平行于 X軸 ,晶片面與 X軸垂直 ,不繞任何坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn) ,簡(jiǎn)稱(chēng) X切 ,如圖 (a)所示 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 45 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ?按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路 ,傳感器可看成電壓發(fā)生器 ,也可看成電荷生器。另外 ,考慮到電容負(fù)反饋支路在直流工作時(shí)相當(dāng)于開(kāi)路 ,對(duì)電纜噪聲比較敏感 ,放大器零漂較大 ,因此 ,為了提高放大器的工作穩(wěn)定性 ,一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻 Rf（約 1010～ 1014Ω） ,以提供直流反饋。 (b)電壓等效電路 ＋－CdRdCcRiCiCdRdCcRiCiUq( a ) ( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 35 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 壓電傳感器的測(cè)量電路 ? 1. 電壓放大器 壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)靜電荷發(fā)生器或電容器 ,為了盡可能保持壓電傳感器的輸出電壓（或電荷）不變 ,要求電壓放大器應(yīng)具有很高的輸入阻抗（大于1000MΩ）和很低的輸出阻抗（小于 100Ω）。 當(dāng)它受到外力作用時(shí) ,就會(huì)在電極上產(chǎn)生電荷 ,因此 ,可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器 ,等效電路如圖 (a)所示 。 振動(dòng)時(shí) ,懸臂梁彎曲 ,側(cè)面受到拉伸壓縮 ,使壓電元件發(fā)生形變 ,從而輸出電信號(hào) 。 管式壓電元件 (極化方向平行于軸線(xiàn) ,電極面在內(nèi)外圓柱面上 )緊套在金屬圓柱上 ,在壓電元件外徑上再套上慣性質(zhì)量塊 ,相互之間用導(dǎo)電膠粘結(jié) 。 可以近似地把質(zhì)量塊看成一個(gè)純質(zhì)量 (忽略其彈性 ),晶片看成一純彈性元件 (忽略其質(zhì)量 )來(lái)計(jì)算傳感器的固有頻率 。 圖 壓電加速度傳感器原理圖 質(zhì) 量 塊壓電元件支座輸出引線(xiàn)? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 12 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 作用于壓電元件兩邊的力 lF上F下Oz? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 13 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? ? 如圖 ,作用于壓電元件兩邊的力為 ()F M aF M m a???上 下 式中 ,M為質(zhì)量塊質(zhì)量 ,m為晶片質(zhì)量 ,a為物體振動(dòng)加 速度 ,晶片中 z處任一截面上的力為 ( 1 )zF M a m a l? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 14 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 式中 ,l為晶片厚度 。 而以聚偏二氟乙烯 (PVDF)為代表的壓電高聚物薄膜 ,壓電性強(qiáng) ,柔性好 ,特別是聲阻抗與水和生物組織接近 ,是制作傳感器的良好材料 。 但由于它們的性能存在某些缺陷 ,后來(lái)隨著人造壓電石英的大量生產(chǎn)和壓電陶瓷性能的提高 ,這些人造單晶體已逐漸被取代了 。gjh、gik稱(chēng)為壓電電壓常數(shù) ,簡(jiǎn)稱(chēng)壓電常數(shù) 。 ? (1)選取應(yīng)變分量 Sk和電位移分量Dj為獨(dú)立變量 ,得到 h型壓電方程 2, 1 , 2 , 3, 1 , 2 , 3 , , 6DA h k k j h ji i k k i j jT c S h D i jE h S D h k?? ? ?? ? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 6 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 式中 ,cDhk是電位移不變 (恒電位移 )時(shí)的彈性常數(shù)或開(kāi)路彈性常數(shù) 。 它是由力學(xué)量應(yīng)力 T和應(yīng)變 S與電學(xué)量電場(chǎng)強(qiáng)度 E和電位移 D之間互相耦合產(chǎn)生的 。 具有壓電效應(yīng)的晶體稱(chēng)為壓電晶體 。圖 (a)是說(shuō)明晶體具有壓電效應(yīng)的示意圖 。 實(shí)際上力學(xué)量和電學(xué)量之間的關(guān)系式還和熱學(xué)量 (溫度和熵 )有關(guān) 。 ? (2)選取電場(chǎng)強(qiáng)度分量 Ej和應(yīng)力分量 Tk為獨(dú)立變量 ,得到 d型壓電方程 , 1 , 2 , 3, 1 , 2 , , 6Eh h k k j h jTi i k k i j jS s T d E i jD d T E h k?? ? ?? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 7 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 式中 ,sEhk是恒電場(chǎng)下的柔性常數(shù) ,也稱(chēng)短路柔性常數(shù) 。ejh、eik稱(chēng)為壓電應(yīng)力常數(shù) ,簡(jiǎn)稱(chēng)壓電常數(shù) 。 極化后的壓電陶瓷可以當(dāng)作壓電晶體來(lái)處理 。它由質(zhì)量塊 、 壓電元件和支座組成 。 質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬如鎢或其他金屬制成 ,而晶片很薄 ,即有Mm,故上式通常寫(xiě)為 ? Q=d33Ma ? a=g(重力加速度 )時(shí)得到的電荷 Q值 ,常稱(chēng)為靈敏度 ,單位記為 C/g,即靈敏度為一個(gè) g產(chǎn)生的電荷 。 這是目前最常見(jiàn)的一種 。 這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度高 ,橫向靈敏度小 ,而且能減小基座應(yīng)變的影響 。 缺點(diǎn)是體積大 ,機(jī)械強(qiáng)度較前兩種差 。 (b)等效電壓源 ＋－CdCdU U ＝qCd( a ) ( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 32 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 當(dāng)壓電式傳感器與測(cè)量電路配合使用時(shí) ,方塊圖如圖 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 36 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 圖 壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 37 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 假設(shè)給石英晶體壓電元件沿著電軸作用的交變力為 F=Fm sinωt,則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值為 ? ? dmddd CtFdCFdCqU?s i n1111???? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 38 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 而送到放大器輸入端的電壓為 Usr,表示成復(fù)數(shù)形式為 )(1//)//(1)//(//1111CCRjRjFdZRZcRZCFdZRZZRUUdCCddCCdCssr??????????????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 39 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 于是前置放大器的輸入電壓的幅值 Usrm為 2211)()(1 icdms r mCCCRRFdU??????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 40 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 輸入電壓與作用力之間的相位差 φ為 由式可以看出 ,當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力 ,即 ω＝０時(shí) ,Usrm=0,前置放大器的輸入電壓等于 0,這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量 。 )21(ffLLCRff??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 44 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 由于壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高 、 輸出電信號(hào)很弱 ,一般需將電信號(hào)經(jīng)高輸入阻抗的前置放大器放大再進(jìn)行傳輸 、 處理和測(cè)量 。這兩種放大器的主要區(qū)別是 :使用電壓放大器時(shí) ,測(cè)量系統(tǒng)的輸出對(duì)電纜電容的變化很敏感 ,連接電纜長(zhǎng)度的變化明顯影響測(cè)量系統(tǒng)的輸出。 設(shè)計(jì)傳感器時(shí)可根據(jù)需要 ,適當(dāng)選擇切型 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 50 Anhui Science and Technology University 理學(xué)院 單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式 ? 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定 。其壓電常數(shù)達(dá) 80 1012C／ N,相對(duì)介電常數(shù) εr=85。這些材料的顯著特點(diǎn)是：既有壓電特性 ,又有半導(dǎo)體特性 。再經(jīng)一定的極化處理后 ,晶胞內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向 ,形成垂直于薄膜平面的碳 氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。 X切的晶體在厚度方向上振動(dòng)時(shí) ,頻率溫度系數(shù)近似為 20 106/176。 C,則晶體的基本共振頻率為 661000 2 8 1 03 5 .4 1 0f H z?? ? ??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級(jí) ? 第三級(jí) ? 第四級(jí) ? 第五級(jí) 61 Anhui Scie