自动检测技术第5章-压电式传感器课件.ppt

1、 第一节第一节 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理第二节第二节 压电材料及压电元件的结构压电材料及压电元件的结构第三节第三节 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路第四节第四节 压电传感器的应用压电传感器的应用 压电式传感器是以某些晶体受压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。量轻、频带宽、灵敏

2、度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。式传感器的应用越来越广泛。第一节压电式传感器的工作原第一节压电式传感器的工作原理理一、压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。二、石英晶体的压电效应 图5-1是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；轴又称电轴

3、，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。x光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴坐标轴晶体切块石英晶体的外形、坐标轴及切片 沿着轴对晶片施加力时，将在垂直于轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着轴施加力的作用时，电荷仍出现在与轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。沿着轴方向受力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为：横向压电效应产生的电荷为：1 1、X X向应力向应力-纵向压电效应纵向压电效应xxxxxFdq电荷计算：2 2、Y Y向应力向应力横向压电效应横向压电效应光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴晶体切块晶体切块压力压力拉力拉力xxqyxyxyF

4、badqxyq压力压力拉力拉力xxd分别为两个方向的压电系数。xydxxxydd且：图5-2 石英晶片受压力或拉力时电荷的极性。关于压电效应的解释：硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子石英晶体石英晶体在在X-Y平面平面离子分布离子分布X方向受力方向受力Y方向受力方向受力Z Z方向受力方向受力将不产生压电效应！将不产生压电效应！三、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷：多晶铁电体，具有电畴（分子自发形成的电场区域）结构的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化处理，内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶瓷就具有了压电特

5、性。多晶铁电体在强电场中极化电畴排列规则化Fdqzz电荷计算：zzd为纵向压电系数。为纵向压电系数。取压电材料的极化方向为Z轴Z受压受压xxqY受压受压YXZYAAFdq电荷计算：XA极化面面积极化面面积yA受力面面积受力面面积)(Zxzydd且：第二节压电材料及压电元件的结构第二节压电材料及压电元件的结构一、压电材料（一）石英晶体：目前广泛应用人造石英晶体。（二）水溶性压电晶体：具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低。（三）铌酸锂晶体：具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。（四）压电陶瓷：应用最普遍的压电材料，具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等

6、特点。（五）压电半导体：既具有半导体特性又同时具有压电性能，集转换元件和电子线路为一体的新型传感器。（六）高分子压电材料：高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-并联并联Q=nQ U=U Q=nQ U=U C=nCC=nC 串联串联Q=Q U=nUQ=Q U=nU C=C/n C=C/n二、压电元件的常用结构形式 压电式传感器常用两片或多片组合在一起使用。如图5-6所示。产品与应用：积层压电执行器 利用压电纵向效应将电能转换为位移变化和力等机械能量的转换陶瓷元件。相比传统压电执行器可以在小型、低电压下产

7、生较大的变位和力。其中电容器为：hACa0压电元件极板面积压电元件极板面积 元件厚度元件厚度相对介电常数相对介电常数一、压电式传感器的等效电路第三节压电传感器的测量电路第三节压电传感器的测量电路 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路；也可以等效为电压源和电容器的串联电路。当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻电缆电容电缆电容放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容电缆电容电缆电容传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容二、压电式传感器的测量电路（一）电压放大器)(tfdQatFtfmsin)(amaAaCtFdCQus

8、in由：得：iuiu化化简简aCiaaaiCCCtfdtfdCCRjRjCjRCjCjRuu)()()(1)/()/1()/1/(电缆长度会影响灵敏度！电缆长度会影响灵敏度！（二）电荷放大器忽略三个电阻的影响，输入到运放的电荷：fiQQQ又)(0UUCQiffiQfQiu0u+)(00UAUCfiaCiiUCCCQ)(及（1）将 、代入（1）式，得：iQfQffaCiCQCACCCAQU)1()(0灵敏度：fCQUk10（一）压电式力传感器底座底座插座插座盖板盖板晶片晶片绝缘套绝缘套第四节压电传感器的应用第四节压电传感器的应用（二）压电式压力传感器晶片晶片膜片膜片引线引线壳体壳体绝缘子绝缘子预压圆筒预压圆筒壳体壳体绝缘体绝缘体引线引线电极电极压电压电堆片堆片膜片膜片弹簧弹簧压电式压力传感器(MYD-5612)（三）压电式加速度传感器基座基座基座基座压电片压电片质量块质量块mm压簧压簧壳体壳体 压电式加速度传感器是由内置压电式加速度敏感元件及放大、滤波等主要电路组成，它可测量从0.3Hz到最高8kHz 的500g 以内的加速度。可以有多种电压范围的电压输出。具有频率范围宽、动态范围大、坚固耐用、可靠性强、稳定性好、安装方便以及抗干扰能力强等优点。各类压电式传感器