傳感器原理與應用-閱讀頁
2025-01-30 00:56本頁面
【正文】 線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現對該參數的測量。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產生機械變形或機械壓力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。 石英晶體的壓電效應石英晶體特性天然石英晶體，其結構形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。 如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分別平行于ZZ、YY、XX軸線。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產生的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產生壓電效應。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。圖４是一個單元組體中構成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。 當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120176。因為P = qL（q為電荷量，L為正負電荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產生電荷，呈電中性。電偶極矩P1增大， P P3減小，此時它們在x、y、z三個方向上的分量為 (P1 +P2 +P3) x0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0在x軸的正向出現負電荷，在y、z方向依然不出現電荷。晶體在y軸方向受力Fy作用下的情況與Fx 相似。由此可見，晶體在y（即機械軸）方向的力 Fy作用下，在x方向產生正壓電效應，在y、z方向同樣不產生壓電效應。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz 作用下，晶體不產生壓電效應。在晶體線性彈性范圍內，極化強度P11與應力σx 成正比。下標的意義為產生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；b、c——石英晶片的長度和寬度。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。 對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向為z軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，在是和石英晶體的不同之處。壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。 壓電材料應具備以下幾個主要特性：①轉換性能。②機械性能。③電性能。④環(huán)境適應性。⑤時間穩(wěn)定性。 石英晶體在幾百攝氏度的溫度范圍內，其介電常數和壓電系數幾乎不隨溫度而變化。石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學性質幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體。在設計石英傳感器時，應根據不同使用要求正確地選擇石英片的切型。它具有很高的介電常數和較大的壓電系數（約為石英晶體的50倍）。2. 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。 新型壓電材料1. 壓電半導體材料壓電半導體材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。 等效電路和測量電路 等效電路一、理想等效電路相對介電常數為εr，極化面積為A，兩極面間距離(壓電片厚度)為t。在開路狀態(tài)，其輸出端電壓和電壓靈敏度分別為 Ua=Q/Ca Kｕ=Ua/F= Q/CaF當需要壓電器件輸出電荷時，則可把它等效成一個與電容相并聯的電荷源，如圖9(b)所示。這時的輸出電荷靈敏度為Kq=Q/F=UaCa/F Ku與Kq之間有如下關系： Ku =Kq/Ca二 實際等效電路一、電壓放大器電壓放大器又稱阻抗變換器。(1)壓電輸出特性(即放大器輸入特性): 二、電荷放大器總結:電荷放大器的輸出電壓僅于輸入電容量和反饋電容有關，若保持CF數值不變，輸出電壓正比于輸入電荷量。 一、壓電式測力傳感器 二、壓電式加速度傳感器三、壓電式金屬加工切削力測量四、壓電式玻璃破碎報警器
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