OM5234/PBP/536两片石英晶片输出的总电荷量q为

q=2d11sp

式中 d11一石英晶体的压电常数;

s―膜片的有效面积;

p一一压力。

这种结构的压力传感器的优点是有较高的灵敏度和分辨率,而且有利于小型化。缺点是,压电元件的预压缩应力是通过拧紧心体施加的。这将使膜片产生弯曲变形,造成传感器的线性度和动态性能变坏。此外,当膜片受环境温度而发生变形时,压电元件的预压缩应力将会发生变化,使输出出现不稳定现象。膜片式压电压力传感器.

预紧筒加载的压电式压力传感器,1~绝缘套;2一后座(心体);3一垫圈;

为了克服压电元件在预载过程中引起膜片的变形,采 4一外壳;5一石英晶片;6一导电片;预紧筒加载的压电式压力传感器,1一心体;2一绝缘套;3一壳体;

碴一绝缘套;5一电极;6一晶片组;取了预紧筒加载结构, 7一石英晶片;8一传力块;9工膜片,9一预紧筒;10一膜片。

预紧筒是一个薄壁厚底的金属圆筒。通过拉紧预紧筒对石英晶片组施加预压缩应力。在加载状态下用电子束焊将预紧筒与心体焊成一体。感受压力的薄膜片是后来焊接到壳体上去的,它不会在压电元件的预加载过程中发生变形。

预紧筒作为一个刚度为r2的弹性元件与刚度为r1的石英晶片组并联,外压力产生的总力F同时分配给石英晶片组和预紧筒,即

F=F1+F2

式中 F1一石英晶片上受到的力;

F2―预紧筒受到的力。

当石英晶片组压缩了△t时,可得

F=(r1+r2)△J

式中 r1―石英晶片组的刚度;

r2―预紧筒的刚度。

因此

e1/f=r1/r1+r2=1/1+r2/r1

由式(9-16)可知,F1/F随r1r2的减小而增加,亦即,当石英晶片组的刚度r1一定时,预紧筒的刚度r2越小,灵敏度也就越高。只要在整个测压范围内保持乃2/妩的比值不变,传感器可获得良好的线性度。

预紧筒加载结构的另一个优点是,在预紧筒外围的内腔内可以注入冷却水,降低晶片温度,以保持传感器在较高环境温度下正常工作。

膜片式压力传感器属于二阶系统的传感器,其惯性质量包括膜片、传力块和导电片等的质量。当传感器在振动环境中测压时,由于加速度的作用,压电元件上将受到与总质量成正比的惯性力的作用而产生的电荷输出,结果在输出的压力信号中混合了振动引起的误差信号,造成测量误差。在测量的动态压力较大,而加速度引起的误差信号相对比较小的情况,可以不考虑加速度补偿。但在小压力测量情况,为确保测量精度,应当考虑加速度补偿问题。

压电式压力传感器的加速度补偿从总体来说应尽量减小敏感元件、传力块等的质量,以减小传感器对加速度的敏感性。另外也可以从结构上在测压石英晶片组的上面,安装一附加质量块和一组(两片)输出极性相反的补偿石英晶片。或者把石英晶片放置在两片预加载的膜片之间,有振动时两加载膜片在石英晶片上作用相反的力,振动就不会引起电荷输出。采用这两种办法可以使加速度引起的测压误差得到补偿。

除此之外,压电式压力传感器还需考虑温度变化所引起的误差补偿问题。

谐振式压力传感器,振动筒式压力传感器,结构特点与工作原理,振动筒式压力传感器的结构大致可分为五个部分,见图9-36所示。

振动圆筒,这是传感器的敏感元件,通常是一只壁厚仅为0.08mm左右的薄壁圆筒。通过改变筒壁厚度,获得不同的测压范围。圆筒一端密闭,为自由端,另一端固定在基座上。圆筒材料采用有良好的磁性能和低的温度系数的铁镍合金,并采用冷挤压和热处理等特殊工艺加工制成。                     

激振线圈和拾振线圈,这两只线圈在振筒内相隔一定距离成十字形交叉排列,以防止或尽量减小两只线圈间的电磁耦合作用。实际上它们被封装在环氧树脂内,与基座浇注成一个整体构件。在激振线圈骨架中心装有一根导磁棒,在拾振线圈中心有一根永磁棒。

基座上安装着振动筒和线圈组件,并有通入被测压力的进气器军屏蔽与外壳,1一外振动筒;2一内振动筒;为了避免外界电磁场的干扰,需要加屏蔽罩。通常外壳既可 3一永磁棒;4一激振线圈;起屏蔽的作用又可起机械保护作用。若被测压力通入振动筒与线 5一导磁棒;6一拾振线圈;圈组件之间的空腔时,就能测相对压力。如果要测绝对压力时,需 7^线圈支柱;8一底座;

用真空作为参考标准,则在振动筒外面再装一只同轴保护筒,把振动筒和保护筒之间的空腔抽成真空即可。当然这时在保护筒的外面还应装有外壳。

工作过程,在被测压力为零时,要使内振动筒工作在谐振状态,必须从外部提供电激励能量,而系统本身还应是一个满足自激振荡的正反馈闭环系统,其线路方块图如图9-37所示。

未接电源时筒处于静止状态。一旦直流电流接通激励放大器,放大器的固有噪声便在最后还应检查该电路的自启动能力。当电路进人无效状态10后,由激励方程组和输出方程可知,若A=0,则次态为00;若A=1,则次态为11,电路能自动进入有效序列。但从输出来看,若电路在无效状态10,当A=0时,输出错误地出现y=1。为此,需要对输出方程做适当修改,即将图6.3.8中输出信号y的卡诺图里无关项Q1。万不画在包围圈内,则输出方程变为y=Q1oOA。根据此式对图6,3.9也做相应的修改即可。

如果发现所设计的电路不能自启动,则应修改设计。方法是:在激励信号卡诺图的包围圈中,对无关项×的处理做适当修改,即原来取1圈入包围圈的,可试取0而不圈人包围圈,与上述对输出y的处理方法类似。于是,得到新的激励方程组和逻辑图,然后再检查其自启动能力,直到能自启动为止。

例6.3.3 给定的逻辑功能如图6.3.10的原始状态图所示,试用D触发器设计逻辑电路。