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'43电量型—电荷输出型资料 传统传感器电参量型传感器电量型传感器2021/10/72 设计示例电量型传感器电压输出型传感器电荷输出型传感器电量型传感器测量电路2021/10/73 (1)压电效应压电效应：某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷；当外力撤消后，物体又重新回到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷极性随之改变，把这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”，简称压电效应。压电式传感器FF极化面测量原理2021/10/77 压电式传感器天然石英是六角棱柱体结构。zyxoyxzOxazybcFx纵向压电效应横向压电效应Fy石英晶体的三轴和三效应：切向压电效应FyFy(1)压电效应测量原理2021/10/78 压电式传感器石英晶体的三轴：X轴—电轴。在垂直于此轴的面上压电效应最强。Z轴—光轴，也称中性轴。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿该轴方向上没有压电效应。Y轴—机械轴。在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。(1)压电效应测量原理2021/10/79 压电式传感器三效应：横向效应：沿y轴加力切向效应：垂直z轴方向形成力矩。纵向效应：沿x轴加力(1)压电效应测量原理图4.35压电效应模型(a)纵向效应yxzFxFx(b)横向效应yFyzFy(c)切向效应xyzxFyFy2021/10/710 压电式传感器逆压电效应(Reversepiezoelectriceffect)：由于外电场作用导致物体的机械变形现象，称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。具有压电性的电介质（压电材料），能实现机-电能量的相互转换。(1)压电效应测量原理2021/10/711 压电材料的主要性能参数：压电常数(piezoelectricityconstant)：衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。弹性常数(elasticityconstant)：材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。介电常数(dielectricconstant)：固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。压电式传感器(2)压电材料测量原理2021/10/712 压电材料的主要性能参数：机电耦合系数(machine-electricalcouplingcoefficient)：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。电阻(resistance)：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。居里点(curiepoint)：压电材料开始丧失压电性的温度。压电式传感器(2)压电材料测量原理2021/10/713 压电材料的分类：压电晶体(piezoelectriccrystal)、压电陶瓷(piezoelectricceramics)、新型压电材料。石英晶体（quartz，SiO2）具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体是典型而常用的压电晶体。主要性能特点：压电常数小，其时间和温度稳定性好;机械强度和品质因数高，刚度大，固有频率高，动态特性好;居里点573℃，无热释电性，且绝缘性好、重复性均好。压电式传感器(2)压电材料测量原理2021/10/714 压电陶瓷(piezoelectricceramics)压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处理。极化处理（polarization）：在一定温度下对材料施加强直流电场，迫使“电筹”趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电筹基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。压电式传感器(2)压电材料测量原理2021/10/715 压电陶瓷(piezoelectricceramics)主要性能特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用；具有热释电性。压电式传感器(2)压电材料测量原理2021/10/716 新型压电材料新型压电材料常见的有压电半导体和有机高分子压电材料。压电半导体（piezoelectricsemiconductor）：其显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。有机高分子压电材料：合成高分子聚合物（质轻柔软，抗拉强度较高，蠕变小，耐冲击，热释电性和稳定相较好，便于批量生产和大面积使用）；高分化合物掺杂压电陶瓷的高分子压电薄膜（保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数）。压电式传感器(2)压电材料测量原理2021/10/717 压电材料的应用打火机+++++---------压电陶瓷2021/10/718 压电器件实际上是一个电荷发生器，也可视为一个电容器。压电式传感器FFδ金属板图4.37压电元件等效电容：(3)压电传感器及其等效电路测量原理2021/10/719 等效电荷源：压电式传感器QCaRaCcCiRi压电元件(a)电荷源等效电路RaCaURiCiCc压电元件(b)电压源等效电路其输出电荷灵敏度为：等效电压源：其输出电压灵敏度为：(3)压电传感器及其等效电路测量原理2021/10/720 压电式传感器的物理基础是正压电效应（压电效应），根据压电敏感元件感受力的作用而产生的电压或电荷的大小和极性，就可以确定作用力的大小和方向。压电传感器的结构：在压电晶片的两工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，外接两个引出线。压电式传感器应用特性2021/10/721 传感器的连接方式：压电式传感器串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，极距变大，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，极板面积变大，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合，时间常数大，宜于测量缓变信号。应用特性2021/10/722 压电式传感器的测量特点：测量静态或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载，以防止电荷经测量电路的漏失或使之减小到最小程度；适于动态测量，如加速度传感器、振动传感器等。压电式传感器可以直接用于测量动态力、压力、位移、振动、加速度等，也可用于声学(包括超声)和声发射等测量。压电式传感器应用特性2021/10/723 逆压电式传感器应用：压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电场于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如，对压电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动装置。压电式传感器压电陶瓷换能器结构图应用特性2021/10/724 应用案例(1)：压电加速度传感器图4.40压电式振动测量系统(a)压电加速度传感器结构2021/10/725 压电加速度传感器的结构和原理S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环2021/10/726 压电振动测量系统(b)压电振动测量系统图4.40压电式振动测量系统2021/10/727 应用案例(2)：压电振动式粘度计图4.42压电振动式粘度计2021/10/728 应用案例(3)：超声波探伤仪探伤原理：通过起始波T和底波B的间隔计算出钢板的厚度，通过起始波T和缺陷波F的间隔计算出缺陷与表面的距离，通过缺陷波F的幅值还可判断出缺陷面积的大小。图4.43超声波探伤仪工件缺陷起始波缺陷反射波底波超声波探头2021/10/729 超声探伤的计算：设：显示器的x轴为10s/div(格)，现测得B波与T波的距离为6格，F波与T波的距离为2格。求：1）t及tF；2）钢板的厚度及缺陷与表面的距离xF。超声波探伤原理2021/10/730 电量型传感器直接输出电量(电压、电荷或电流)，有的传感器是自源型的，直接输出对应于被测量变化的低频信号，如压电传感器和热电偶，此时只需将信号经过必要的转换和信号放大即可。电量型传感器测量电路被测量自源型电量型传感器电压V1电压放大器（电荷放大器）补偿电路电压Vo指示单元电流/电压转换电路电流I电压/电荷V/Q自源型电量型传感器测量电路框图如图所示。图中补偿电路包括零点补偿电路、温度补偿电路、线性化补偿电路等等。2021/10/731 有的电量型传感器是辅助能源型的，根据其辅助能源(电源或磁源)是直流的或交流的，其测量电路略有不同，如果是直流激励的传感器（如采用永久磁铁的磁电式传感器和直流激励的霍尔式传感器等），其输出为低频电压信号，只需电压放大电路即可。电量型传感器测量电路辅助能源型电量型传感器电压放大电路指示单元辅助能源（直流电源/磁源）被测量电压V电压Vo补偿电路电压V1电压V2辅助能源（交流电源/磁源）解调电路如果传感器是交流激励的（如交流励磁的磁电式传感器、差动变压器式传感器、压磁式传感器和交流激励的霍尔式传感器等），此时传感器本身就相当于调幅器，输出调幅波，其测量电路除包括信号放大电路外，还应有解调电路，2021/10/732 设计磁电传感器（磁铁磁场）测转速输出信号的模拟调理电路功能框图（终到数字计数器或频率计）(b)传感器输出感应电动势1-永久磁铁2-导磁齿轮图4.50磁电传感器测转速(a)磁电传感器安装结构图12感应线圈2021/10/733 磁电传感器测转速测量系统功能框图计数器或频率计被测对象磁电传感器信号调理电路放大、滤波、波形变换等2021/10/734 设计差动变压器加速度传感器的模拟信号调理电路功能框图（终到模拟指示单元）图4.52差动变压器式加速度传感器2021/10/735 差动变压器传感器信号调理电路功能框图2021/10/736 14.2命题与证明 有一根比地球赤道长一米的铜线将我们生活的地球赤道绕一圈.想一想:铜线与地球赤道之间的空隙有多大(假设地球是球形的)?能放进一颗小枣吗?能放进一个苹果吗?c+1/2πc/2π-=1/2π≈0.16(m) 判断下述语言是否正确?(1)福州市是福建省的省会(2)3+7<11(3)有公共顶点的角是对顶角(4)对顶角相等(5)上海在海上 2）两条直线相交，有且只有一个交点（）4）一个平角的度数是180度（）6）取线段AB的中点C；（）1）长度相等的两条线段是相等的线段吗？（）7）画两条相等的线段（）判断下列语句是不是命题？是用“√”，不是用“×表示。3）不相等的两个角不是对顶角（）5）相等的两个角是对顶角（）×√××√√√ 命题的结构：在数学中，许多命题是由两部分组成的.是，是由，这种命题常可写成的形式,“如果”开始的部分是题设,“那么”开始的部分是结论.题设和结论题设已知事项结论已知事项推出的事项“如果…那么…” babrfhiosastta下列命题的题设是什么?结论是什么?(1).如果两个角是同位角,那么它们相等.(2)只含有一个未知数且未知数的次数是1的方程叫做一元一次方程.(3)形状和大小相同的两个三角形面积相等. 观察交流(1)两直线平行,同旁内角互补.(2)同旁内角互补,两直线平行.(3)对顶角相等.(4)相等的两个角是对顶角.问题:(1)上述四个语句是命题吗?(2)它们的题设,结论分别是什么?(3)(1)和(2),(3)和(4)之间,你发现了什么? 谢谢！'