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人工制造的压电陶瓷锆钛酸铅课件.ppt

'人工制造的压电陶瓷锆钛酸铅课件.ppt'
项目二 压力传感器及其仪表的安装与调试任务一 认识压力传感器 1主要内容单元一 认识压力传感器单元内容一、项目引入二、知识讲解 1、电阻应变式压力传感器 2、电容式压力传感器 3、电感式压力传感器 4、压电式压力传感器 5、扩散硅压力传感器 三、归纳总结 四、作业1主要内容单元一 认识压力传感器教学目标能力目标知识目标(1)掌握常用压力传感器(如电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压阻式、差动变压器式)压力检测原理;(2)各种压力检测的方法。(1)能识别不同种类的压力传感器;(2)能区分常见压力传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。教学重点难点重 点难 点(1)常用压力传感器检测压力的方法;(2)不同类型压力传感器的认识。常见压力传感器工作原理,仪表信号采集与测量。1单元一 认识压力传感器二、电容式压力传感器 电容式压力传感器是利用电容作为敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。 电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,如图2-9所示,是由一个固定极板和一个弹性膜片(即动极板)组成。(一)、电容式压力传感器原理结构P弹性膜片(动电极)固定电极1单元一 认识压力传感器图2-9 单电容式压力传感器(属于变极距电容式传感器)(b) 变极距型电容式传感器 (a)变极距型电容式传感器结构原理图 二、电容式压力传感器(一)、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器 当传感器的εr和S为常数,初始极距为d0时,可知其初始电容量C0为 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd,电容量增大了ΔC,则有1单元一 认识压力传感器二、电容式压力传感器(一)、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器图2-10 电容量与极板间距离的关系1单元一 认识压力传感器二、电容式压力传感器(一)、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器 因Δd的极距变化很小,使Δd/d0<<1时,则有近似的线性关系为: 电容式传感器的灵敏度为: 可见,要提高灵敏度,应减小d0。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,常用提高介电常数的方法,即在两级板间加云母、塑料膜等介质。1单元一 认识压力传感器二、电容式压力传感器(一)、电容式压力传感器原理结构1、单电容式压力传感器 在实际应用中,为提高灵敏度和线性度,克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响,又研制出了差动式电容式压力传感器,如下图所示,上下两极板是固定极板,中间极板是活动极板,未开始测量时将活动极板调整在中间位置,两边电容相等。测量时,中间极板向上或下平移,就会引起电容量的上增下减或反之。δ1δ2S(b)差动平板式电容传感器结构1单元一 认识压力传感器二、电容式压力传感器2、差动电容式压力传感器(a)差动式电容压力传感器结构原理图当动极板向上位移Δδ时:电容器C1的间隙δ1变为δ0–Δδ ;电容器C2的间隙δ2变为δ0+Δδ ;则:1单元一 认识压力传感器二、电容式压力传感器2、差动电容式压力传感器电容值总的变化量为:电容值相对变化量为:在Δδ /δ 0<< 1时,按级数展开:≈1单元一 认识压力传感器2、差动电容式压力传感器声压传感器(即电容传声器)驻极体电容传声器大膜片电容传声器传声器(Microphone)即话筒,音译作麦克风,目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压。1单元一 认识压力传感器1主要内容单元一 认识压力传感器三、电感式压力传感器 利用电磁感应原理将被测量如位移、压力、振动等转换成线圈自感L或互感量系数M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器 。 自感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器,它是在压力作用下使衔铁或铁芯位移,引起线圈的电感发生变化而工作的。根据结构不同分为变间隙式和螺管式两种。(一)、自感式压力传感器 1主要内容单元一 认识压力传感器三、电感位移传感器 1、变气隙式电感式压力传感器 由物理学可知,初始状态时线圈的电感为 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了Δd,电容量增大了ΔL,则有1单元一 认识压力传感器三、电感式压力传感器1、变气隙式压力传感器 式中,N为线圈匝数,u0 为空气的磁导率u0=4πx10-7H/m,A为铁芯的截面积,d为气隙厚度。 因Δd的极距变化很小,使Δd/d0<<1时,则有近似的线性关系为:1单元一 认识压力传感器三、电感式压力传感器1、变气隙式压力传感器变气隙电感式传感器的灵敏度为:1主要内容单元一 认识压力传感器三、电感压力传感器 当铁芯发生位移时,将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系。铁芯随被测物体一起移动,导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。 2、螺管式电感式压力传感器 1主要内容单元一 认识压力传感器三、电感式压力传感器 2、差动变压器式压力传感器1主要内容单元一 认识压力传感器三、电感位移传感器 2、差动变压器式压力传感器特点:结构简单、灵敏度高、线性度好和测量范围宽。缺点是存在零点残余电动势。可采用相敏检波电路等措施进行补偿。 初级线圈L1加交流励磁电压Uin,次级线圈上由于电磁感应而产生感应电压。 由于两个次级线圈反极性串接,所以两个次级线圈中的感应电压UOUT1和UOUT2的相位相反,当铁芯处于中心对称位置时,则UOUT1=UOUT2,所以UOUT=0。 当铁芯向两端位移时,UOUT1大于或小于UOUT2,使UOUT不等于零,其值与铁芯的位移成正比。(1)差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,不能反映移动的方向)(2)测量值中将包含零点残余电压 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 (1) 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出。 螺线管式差动变压器转换电路1单元一 认识压力传感器 螺线管式差动变压器转换电路1单元一 认识压力传感器 差动整流电路1主要内容单元一 认识压力传感器四、压电式压力传感器 石英晶体振荡器(晶振)高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆压电式脚踏报警器1主要内容单元一 认识压力传感器四、压电式压力传感器压电式传感器主要应用类型 压电式传感器主要应用类型表中列给出了压电传感器的主要应用类型。目前它们已经在工业、民用和军事方面得到广泛应用,但其中用得最多的还是力敏类型:1主要内容单元一 认识压力传感器四、压电式压力传感器工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面产生电荷,从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件,它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量,例如动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件,因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 (一)压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时,晶格产生变形,表面产生正电荷,电荷Q与所施加的力F成正比 ,这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压,它就会产生机械变形。当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。 1单元一 认识压力传感器四、压电式压力传感器 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。1单元一 认识压力传感器 (二)、压电材料 自然界中的大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。压电材料基本上可分为三大类:压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。 (1)压电晶体是一种单晶体,例如,石英晶体、酒石酸钾钠等; (2)压电陶瓷是一种人工制造的多晶体,例如:锆钛酸铅、钛酸钡、铌酸锶等; (3)有机压电材料属于新一代的压电材料,其中较为重要的有半导体和高分子压电材料。压电半导体有氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。 1单元一 认识压力传感器四、压电式压力传感器 (1) 压电式力传感器 压电式传感器是以压电元件为转换元件,输出电荷与作用力成正比的力- 电转换装置。常用的形式为荷重垫圈式,它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成。如示的是YDS-78型压电式单向力传感器的结构,它主要用于频率变化不太高的动态力的测量。 被测力通过传力上盖使压电元件受压力作用而产生电荷。由于传力上盖的弹性形变部分的厚度很薄,只有0.1~0.5mm,因此灵敏度很高。 1单元一 认识压力传感器YDS-78型压电式单向力传感器的结构示意图 1-传力上盖板 2-压电片 3-电极 4-电极引出插头 5-绝缘材料 6-基座 (3) 压电式金属加工切削力测量传感器 图示是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振动频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化可测得切削力的变化。1单元一 认识压力传感器压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量 压电式声传感器1、压阻式压力传感器的工作原理:半导体的压阻效应 固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种效应称为压阻效应 。 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大,分辨率高。频率响应高,体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感,因此压阻式传感器的温度误差较大,必须要有温度补偿。1单元一 认识压力传感器五、压阻式压力传感器 压阻式压力传感器结构简图1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 1单元一 认识压力传感器五、压阻式压力传感器 2、扩散硅压阻式压力传感器 工作原理: 膜片两边存在压力差时,膜片产生变形,膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下,阻值发生变化,电桥失去平衡, 输出相应的电压,电压与膜片两边的压力差成正比。 设计时,适当安排电阻的位置,可以组成差动电桥。 1单元一 认识压力传感器2、 扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构简图1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片扩散型压阻式压力传感器特点:优点: 体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度高,能测出十几帕的微压,长期稳定性好,滞后和蠕变小,频率响应高,便于生产,成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。 1单元一 认识压力传感器2、 扩散型压阻式压力传感器
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