壓電式力學(xué)量傳感器(參考版)
2025-05-02 08:53本頁面
【正文】 ? 問題 4:試說明壓電效應(yīng)的特點(diǎn)。 ? 問題 2:試說明石英晶體的壓電機(jī)理。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 54 諧振式傳感器 壓電諧振式傳感器： ? 石英晶體微天平（ QCM） ? 聲表面波傳感器（ SAW） ? 微懸臂梁傳感器 當(dāng)激勵信號頻率與晶體片本身固有的諧振頻率相同時，即可形成諧振，此時晶體片本身一般稱為諧振器，其諧振特性會受到外界參數(shù)的影響，利用這一特性即可制成壓電諧振式傳感器。 ? 超聲傳感器整個工作過程都是在控制電路控制下順序進(jìn)行的。 ? 此時定時電路所記錄的時間，是從發(fā)射超聲波開始到收到回聲波信號的傳播時間。 ? 當(dāng)超聲波遇到物體后，就被反射回來。 ? 發(fā)射器發(fā)出一連串超聲波后即自行關(guān)閉，停止發(fā)射。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 52 超聲傳感器包括超聲發(fā)射器、超聲接受器、定時電路和控制電路四個主要部分。 機(jī)器人安裝接近覺傳感器主要目的有以下三個： 其一，在接觸對象物體之前，獲得必要的信息，為下一步運(yùn)動做好準(zhǔn)備工作； 其二，探測機(jī)器人手和足的運(yùn)動空間中有無障礙物。 ? 當(dāng)物體的振動超過一定的頻率，即高于人耳聽閾上限時，這樣的聲波稱為“超聲波” ?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的 頻率 ，單位是 赫茲 。這種不同的反射與衰減是構(gòu)成超聲圖像的基礎(chǔ)。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 50 壓電聚合物換能器在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其是 超聲成像 中，獲得了最為 成功的應(yīng)用 ? 人體結(jié)構(gòu)對超聲而言是一個復(fù)雜的介質(zhì)，各種器官與組織，包括 病理 組織有它特定的 聲阻抗和衰減特性 ，因而構(gòu)成聲阻抗上的差別和衰減上的差異。 可生產(chǎn)電聲器件如麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)和高頻揚(yáng)聲器 水聲換能器，又稱水聽器，接收水聲信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號。 換能器 換能器是將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蛟陔妶鲵?qū)動下產(chǎn)生機(jī)械振動的器件。 ?壓電材料及其應(yīng)用取得劃時代的進(jìn)展應(yīng)歸咎于第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷，日本積極開展利用 BaTiO3壓電陶瓷制作超聲換能器、高頻換能器、壓力 傳感器 、 濾波器 、 諧振器 等各種壓電器件的應(yīng)用研究，這種研究一直進(jìn)行到 50年代中期 ?1955年，美國 BaTiO3壓電性更優(yōu)越的 PZT壓電陶瓷 ，促使壓電器件的應(yīng)用研究又大大地向前推進(jìn)了一大步。 ?1881年，居里兄弟實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，給出石英的正逆壓電常數(shù)。壓電晶片為石英晶片，上蓋為傳力元件，絕緣套用來電氣絕緣和定位。 這樣 ， 在壓電元件中就出現(xiàn)剪切應(yīng)力 ， 使其產(chǎn)生剪切變形 ． 從而在壓電元件的內(nèi)外表面上就產(chǎn)生電荷 ， 其電場方向垂直于極化方向 。 1基座 2 壓電晶片 3 質(zhì)量塊 4 彈簧片 5 電纜 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 45 它的底座向上延伸 ， 如同一根圓柱 ， 管式壓電元件 (極化方向平行十軸線 )套在這根圓柱上 ， 壓電元件上再套上慣性質(zhì)量環(huán) 。但由于殼體是質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)的一個組成部分 ， 所以殼體的諧振會使傳感器的諧振頻率有所降低 ， 以致減小傳感器的頻響范圍 。 但這種結(jié)構(gòu)仍然要受到安裝表面應(yīng)變的影響 。 它具有外因配合壓縮式的優(yōu)點(diǎn) 、并克服了對環(huán)境敏感的缺點(diǎn) 。 ?它通過硬彈簧對壓電元件施加預(yù)壓力 。按以上四種變形方式也應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的四種結(jié)構(gòu)的傳感器，但目前最常見的是 基于厚度變形的壓縮式和基于剪切變形的剪切式 兩種，前者使用更為普遍。 ? 即使限制了它的測量頻率范圍 ，但由于傳感器的固有頻率相當(dāng)高 (一般可達(dá) 30kHz甚至更高 )， 因此 ， 它的測量頻率的上限仍可高達(dá)幾千赫茲 ，甚至十幾千赫茲 。 頻率特性 輸入量為加速度 a，輸出量為質(zhì)量塊與被測物間的相對位移 xmx，當(dāng)作用于質(zhì)量塊上的力平衡時，其動力學(xué)方程為： 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 40 ? 實(shí)際測量的振動頻率上限一般只取傳感器固有頻率的 1／ 5— 1／ 3左右 ，也就是說工作在頻率特性的平直段 。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 36 2. 工作原理 ① 將傳感器基座與試件剛性固定在一起； ② 當(dāng)傳感器感受振動時 ， 因質(zhì)量塊的質(zhì)量相對被測物體的質(zhì)量小得多 ，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動 ， 并受到與加速度方向相反的慣性力的作用； ③ 質(zhì)量塊有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上； ④ 壓電片的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷 （ 電壓 ） ； ⑤ 當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時 ， 傳感器的輸出電荷與作用力成正比 ， 亦即與試件的加速度成正比 。 ② 在壓電片上放置一個比重較大的質(zhì)量塊 ，然后用一硬彈簧或螺栓 、 螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷 。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 35 1 . 組成 ① 壓電元件一般由兩片壓電片組成 。 ? 另外，壓電式傳感器體積小，重量輕，缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度。 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 34 壓電式加速度傳感器 ? 壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計，占所有加速度傳感器的 80%以上。 ? 電荷放大器實(shí)際上是一個具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器 電子科技大學(xué) 傳感技術(shù)課程組 制作 33 圖中 k是放大器的開環(huán)增益， (一 k)表示放大
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