【圖】壓電式壓力傳感器基礎(chǔ)知識
(2016/12/21 0:26:00)
壓電式壓力傳感器基礎(chǔ)知識
壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：Q=kSp 式中 Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。
圖1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號與被測壓力值相對應(yīng)。
除在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復(fù)合材料的合成膜的。
圖1 壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 更換壓電元件可以改變壓力的測量范圍；在配用電荷放大器時(shí)，可以用將多個壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時(shí)，可以用將多個壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。
壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。振膜式諧振壓力傳感器 振膜式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。振膜為一個平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測量室，被測壓力 p經(jīng)過導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測量室內(nèi)。參考壓力室可以通大氣用于測量表壓，也可以抽成真空測量絕壓。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振頻率與膜片固有頻率一致時(shí)，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力時(shí)，膜片是平的，其諧振頻率為 f0；當(dāng)有壓力作用時(shí)，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。
在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個與諧振頻率相同的信號。此信號經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動，構(gòu)成一個閉環(huán)正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)。如圖(b)所示振筒式諧振壓力傳感器 振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。在一定的壓力作用下，變化后的振筒頻率可以近似表示為：
式中fp為受壓后的振筒頻率；f0 為固有頻率； a 為結(jié)構(gòu)系數(shù)； p為被測壓力。
傳感器由振筒組件和激振電路組成，如圖3-14所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封閉為自由端，開口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測線圈，二者空間位置互相垂直，以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動，受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。 此種儀表體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，其精確度為±0.1％和±0.01％；適用于氣體測量。
壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：Q=kSp 式中 Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。
圖1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號與被測壓力值相對應(yīng)。
除在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復(fù)合材料的合成膜的。
圖1 壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 更換壓電元件可以改變壓力的測量范圍；在配用電荷放大器時(shí)，可以用將多個壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時(shí)，可以用將多個壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。
壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。振膜式諧振壓力傳感器 振膜式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。振膜為一個平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測量室，被測壓力 p經(jīng)過導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測量室內(nèi)。參考壓力室可以通大氣用于測量表壓，也可以抽成真空測量絕壓。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振頻率與膜片固有頻率一致時(shí)，膜片產(chǎn)生諧振。沒有壓力時(shí)，膜片是平的，其諧振頻率為 f0；當(dāng)有壓力作用時(shí)，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。
在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個與諧振頻率相同的信號。此信號經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動，構(gòu)成一個閉環(huán)正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)。如圖(b)所示振筒式諧振壓力傳感器 振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。在一定的壓力作用下，變化后的振筒頻率可以近似表示為：
式中fp為受壓后的振筒頻率；f0 為固有頻率； a 為結(jié)構(gòu)系數(shù)； p為被測壓力。
傳感器由振筒組件和激振電路組成，如圖3-14所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封閉為自由端，開口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測線圈，二者空間位置互相垂直，以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動，受壓前后的頻率變化可由檢測線圈檢出。 此種儀表體積小，輸出頻率信號，重復(fù)性好，耐振；精確度高，其精確度為±0.1％和±0.01％；適用于氣體測量。
振筒式壓力傳感器
注:壓電效應(yīng)概念
某些電介質(zhì)沿著某一個方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長)時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機(jī)理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機(jī)械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。
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