最新传感器与检测技术重点教学讲义ppt课件.ppt

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1、传感器与检测技术重点5.2压电式传感器的测量转换电路25.1压电式传感器的工作原理15.3压电式传感器的应用3目录2021/9/19知识目标：（1）了解不同压电材料的结构和特点。（2）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。（3）熟悉压电式传感器在工程上的应用。教学目标技能目标：（1）能够根据检测要求选择合适的压电式传感器。（2）能够运用压电式传感器完成一些简单的项目。2021/9/19由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际上是不可能的，所以压电式传感器不

2、能用于静态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，压电式传感器只适用于动态测量。2021/9/19在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为Q=d11Fx（5-1）式中，d11为x轴方向受力的压电系数（C/N）；Fx为x轴方向的作用力（N）。2021/9/195.1.2压电材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电材料压电晶体压电陶瓷高分子压电材料2021/9/191.石英晶体天然形成的石英晶体外形2021/9/19天然形成的石英晶体外形（续）2021/9/

3、19石英晶体的压电机理分析（a）晶体外形（b）晶块图5-2石英晶体石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。定义：x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。2021/9/19（a）不受外力(b)x轴方向受力（c）y轴方向受力图5-3石英晶体的压电效应示意图当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图5-3（a）；当石英晶体在x轴方向受力时，晶体的极面

4、A上呈现负电荷，晶体的极面B上呈现正电荷，见图5-3(b)；当石英晶体在y轴方向受力时，晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面B上呈现负电荷，见图5-3（c）。2021/9/19石英晶体在20～200℃内压电系数的变化率小，因而其性能非常稳定，不足之处在于压电系数较小（d=2.31×10－12C/N）。因此，石英晶体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用。2021/9/19石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2021/9/19压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体

5、的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列，极化方向杂乱无章，其总极化强度为0，此时受力则无压电效应。2.压电陶瓷2021/9/19若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自

6、发的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。（a）未极化的陶瓷(b)正在极化的陶瓷（c）极化后的陶瓷图5-4压电陶瓷的极化过程2021/9/19压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。2021/9/191）锆钛酸铅系列压电陶瓷锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT有较高的压电系数（d＝（200～500）10－12C/N）和居里点（50

7、0℃左右），是目前常采用的一种压电材料。2）非铅系列压电陶瓷非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。2021/9/19压电陶瓷外形2021/9/193.高分子压电材料高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF2的压电系数最高。高分子压电材料具有以下特点：（1）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现压电效应。（2）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以大量

8、连续的拉伸，制成较大面积或较长尺度的形状，因此，价格便宜。（3）高分子压电材料的声阻抗约为0.02Pa·s/m3，与空气的声阻抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。（4）高分子压