压电式传感器测振动实验Word文档格式.doc
《压电式传感器测振动实验Word文档格式.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《压电式传感器测振动实验Word文档格式.doc(4页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
人工多晶体压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等。
压电材料受到外力作用时,在发生变形的同时内部产生极化现象,它表面会产生符号相反的电荷。
当外力去掉时,又重新回复到原不带电状态,当作用力的方向改变后电荷的极性也随之改变,如图21—1(a)、(b)、(c)所示。
这种现象称为压电效应。
(a)(b)(c)
图21—1压电效应
2、压电晶片及其等效电路
多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多,压电传感器的压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片,金属膜构成两个电极,如图21—2(a)所示。
当压电晶片受到力的作用时,便有电荷聚集在两极上,一面为正电荷,一面为等量的负电荷。
这种情况和电容器十分相似,所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏掉,因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大,但毕竟不是无穷大,从信号变换角度来看,压电元件相当于一个电荷发生器。
从结构上看,它又是一个电容器。
因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如21—2(b)所示。
其中ea=Q/Ca
。
式中,ea为压电晶片受力后所呈现的电压,也称为极板上的开路电压;
Q为压电晶片表面上的电荷;
Ca
为压电晶片的电容。
实际的压电传感器中,往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。
压电晶片并联时如图21—2(c)所示,两晶片正极集中在中间极板上,负电极在两侧的电极上,因而电容量大,输出电荷量大,时间常数大,宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。
(a)压电晶片
(b)等效电荷源
(c)并联
(d)压电式加速度传感器
图21—2
压电晶片及等效电路
压电传感器的输出,理论上应当是压电晶片表面上的电荷Q。
根据图21—2(b)可知测试中也可取等效电容Ca
上的电压值,作为压电传感器的输出。
因此,压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。
3、压电式加速度传感器
图21—2(d)是压电式加速度传感器的结构图。
图中,M是惯性质量块,K是压电晶片。
压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。
在压电晶片K上,放有质量块M。
当壳体随被测振动体一起振动时,作用在压电晶体上的力F=Ma。
当质量M一定时,压电晶体上产生的电荷与加速度a成正比。
4、压电式加速度传感器和放大器等效电路
压电传感器的输出信号很弱小,必须进行放大,压电传感器所配接的放大器有两种结构形式:
一种是带电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出电压)成正比;
另一种是带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷量成正比。
电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容Cc敏感。
当电缆长度变化时,Cc就变化,使得放大器输入电压ei变化,系统的电压灵敏度也将发生变化,这就增加了测量的困难。
电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。
它是一个高增益带电容反馈的运算放大器。
当略
图21—3是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。
去传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的输入电阻Ri影响时,有Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf……(21—1)。
式中,ei为放大器输入端电压;
ey为放大器输出端电压ey=-Kei;
K为电荷放大器开环放大倍数;
Cf为电荷放大器反馈电容。
将ey=-Kei代入式(21—1),可得到放大器输出端电压ey与传感器电荷Q的关系式:
设C=Ca+Cc+Ci
ey=-KQ/[(C+Cf)+KCf]……(21—2)
当放大器的开环增益足够大时,则有KCf>
>
C+Cf(21—2)简化为
ey=-Q/Cf……(21—3)
式(21—3)表明,在一定条件下,电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比,而与电缆的分布电容无关,输出灵敏度取决于反馈电容。
所以,电荷放大器的灵敏度调节,都是采用切换运算放大器反馈电容的办法。
采用电荷放大器时,即使连接电缆长度达百米以上,其灵敏度也无明显变化,这是电荷放大器的主要优点。
5、压电加速度传感器实验原理图
压电加速度传感器实验原理、电荷放大器由图21—4(a)、(b)所示。
图21—4(a)压电加速度传感器实验原理框图
图21—4(b)电荷放大器原理图
三、需用器件与单元:
主机箱±
15V直流稳压电源、低频振荡器;
压电传感器、压电传感器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板;
振动源、双踪示波器。
四、实验步骤:
1、按图21—5所示将压电传感器安装在振动台面上(与振动台面中心的磁钢吸合),振动源的低频输入接主机箱中的低频振荡器,其它连线按图示意接线。
图21—5压电传感器振动实验安装、接线示意图
2、将主机箱上的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零),调节低频振荡器的频率在6~8Hz左右。
检查接线无误后合上主机箱电源开关。
再调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率)。
3、用示波器的两个通道[正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV:
在50mS~20mS范围内选择;
VOLTS/DIV:
0.5V~50mV范围内选择)设置]同时观察低通滤波器输入端和输出端波形;
在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时观察输出波形变化。
4、改变低频振荡器的频率(调节主机箱低频振荡器的频率),,观察输出波形变化。
实验完毕,关闭电源。