第8章 压电式传感器及应用ppt课件.ppt

《第8章 压电式传感器及应用ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第8章压电式传感器及应用8/9/20211引言压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。8/9/20212主要章节8.1压电效应及压电材料8.2压电式传感器测量电路8.3压电式传感器的应用8/9/202138.1压电效应及压电材料1．压电效应的概念某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就

2、产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。8.1.1压电效应8/9/20214压电效应可逆性8/9/202152.压电效应原理(以石英晶体为例)8/9/20216现象：8/9/20217机理：8/9/20218分析说明（1）在无外力作用时（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形（4）当晶

3、体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。8/9/20219X轴向受力：Y轴向受力：Z轴向受力：qz=0产生电荷的大小8/9/2021108.1.2常用压电材料石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有3类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。8/9/202111石英晶体天然形成的石英晶体外形8/9/202112天然形成的石英晶体外形8/9/202113石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装8/9/202114石英

4、晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振8/9/202115压电陶瓷（多晶体）8/9/202116压电陶瓷外形8/9/202117高分子压电薄膜及拉制8/9/202118高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆8/9/202119可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板8/9/202120压电式脚踏报警器8/9/202121压电材料的选取选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：转换性能机械性能电性能温度、湿度稳定性好时间稳定性8/9/2021228.2压电式

5、传感器测量电路将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器。8.2.1压电式传感器的等效电路8/9/202123压电元件的等效电路压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源，8/9/202124压电元件实际的等效电路图压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动

6、态测量。8/9/2021258.2.2压电式传感器测量电路压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少。压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。8/9/2021261.电荷放大器并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器实际上是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路电荷放大器原理图8/9/2021272.电压放大器（阻抗变换器）串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电

7、效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗8/9/2021288.3压电式传感器的应用8.3.1压电传感器的基本结构8/9/202129压电片的并联连接电路图8/9/2021308.3.2压电传感器的应用压电式传感器主要用于动态作用力、压力、加速度的测量。8/9/2021311.压电式力传感器压电式力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8/9

8、/202132YDS-78型压电式单向动态力传感器变化频率不太高的动态力的测量。测力范围达几十kN以上，非线性误差小于1%，固有频率可达数十千赫。8/9/2021332.压电式加速度传感器由压