檢測技術(shù)與儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告--壓電傳感器及其應(yīng)用-在線瀏覽
2025-03-07 22:57本頁面
【正文】 后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。 壓電方程壓電材料的壓電性涉及到力學(xué)和電學(xué)之間的相互作用，而壓電方程就是描述晶體的力學(xué)量和電學(xué)量之間的相互關(guān)系的表達(dá)式。四類邊界條件為：短路：兩電極間外電路的電阻比壓電陶瓷片的內(nèi)阻小得多，可認(rèn)為外電路處于短路狀態(tài)。它的上標(biāo)用E表示。這時(shí)電極上的自由電荷保持不變，電位移保持不變。（2）機(jī)械邊界條件它的上標(biāo)用T表示。它的上標(biāo)用S表示。第一類壓電方程邊界條件為機(jī)械自由和電學(xué)短路，應(yīng)力T和電場強(qiáng)度E為自變量，應(yīng)變S和電位移D為因變量。式中d為壓電常數(shù)，dT—d的轉(zhuǎn)置；s—彈性柔順常數(shù)；ε—介電常數(shù)。濕敏元件比來表示靈敏度。εS為應(yīng)變恒定時(shí)的介電常數(shù)（夾緊介電常數(shù)），cE為場強(qiáng)恒定時(shí)（短路）的彈性剛度系數(shù)。βT為恒應(yīng)力作用下的介質(zhì)的隔離率。第四類壓電方程邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)開路，應(yīng)變S和電位移D為自變量，應(yīng)力T和電場強(qiáng)度E為因變量：式中，h—壓電應(yīng)力常數(shù)；ht—h的轉(zhuǎn)置。理解并掌握了壓電理論的基礎(chǔ)知識、熟悉壓電陶瓷的極化和壓電方程等對于全面理解壓電換能器的工作原理提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)，因此是十分必要的。廣義的石英還包括高溫石英（b石英）。石英集合體通常呈粒狀、塊狀或晶簇、晶腺等。受壓或受熱能產(chǎn)生電效應(yīng)。這種鈦氧鋇系列的壓電材料，是日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的研究人員任曉兵開發(fā)出的。 壓電材料利用正離子與負(fù)離子的中心移動(dòng)這一性質(zhì)，增加電場，使離子輕微移動(dòng)。此次研究小組利用新原理開發(fā)的壓電材料正離子與負(fù)離子中心移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偶極矩電極化的區(qū)域，在增加電場之后沿電壓方向一齊發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了可逆性的巨大電致伸縮效應(yīng)。 該材料應(yīng)用于超聲成像（特別是醫(yī)用超聲成像）、聲納、微驅(qū)動(dòng)器等器件可使其性能有重大提高。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號。 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。圖41壓電傳感器的等效電路（a） 電壓源。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖41所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。圖42 壓電傳感器的完整等效電路 （a） 電壓源。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測量。(其中，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。（阻抗變換器）圖 43 壓電傳感器接放大器的等效電路 （a） 放大器電路。 由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為 Ui的幅值Uim為輸入電壓和作用力之間相位差為 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R1，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在ω/ω03時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與ω?zé)o關(guān)，ω0表示測量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（ω=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵ㄟ^放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測量誤差。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。 由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電
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