第2讲 压电压磁式传感器ppt课件.ppt

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1、传感器原理及应用主讲人：康朝海第2章压电压磁式传感器概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号传感器原理及应用第一部分压电式传感器主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用1.1压电效应某些物质（晶体、陶瓷）：当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。传感原理及应用压电元件正、负压电效应机械能电能传感器原理及应用压电晶片人工合成水晶1.2

2、压电材料按特定方向切片ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX(a)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系XY(b)ZYX1.2.1压电晶体1.压电晶体及压电效应传感器原理及应用硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)++---YXXY+Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++-

3、--P1P2P3(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－2.电偶极矩分析电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；归纳：3.作用力与电荷的关系（a）yxzOxazybc（b）若从晶体上沿y方向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时

4、，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx成正比。压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:σ1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:σ2为Y方向应力压电系数d11=-d12为常数a、b是晶体切片几何尺寸(厚、长)关系式：4.对压电材料特性要求①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的

5、低频特性。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。1.2.2压电陶瓷压电陶瓷谐波器超声波医学压电陶瓷晶片压电陶瓷蜂鸣器打火用压电陶瓷1.2.2压电陶瓷陶瓷压电效应陶瓷压电逆效应1.2.3新型压电材料聚偏氟乙烯压电效应1.3压电元件结构形式1.3压电元件结构形式+_U’_++++++++++++___________++++++++++++____________电路串联+_+_U’电路并联+++++++++++_______________________+++++

6、++++++C串=C/2，U串=2U，Q串=QC并=2C，U并=U，Q并=2Q1.4等效电路与测量电路2.4.1压电传感器等效电路压电元件电荷Q的开路电压U可等效为:电压源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。等效电容1.4.1压电传感器等效电路电压灵敏度电荷灵敏度它们之间的关系等效电压源等效电流源压电传感器的测量电路前置放大器的作用：（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器1、电压放大器前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：前置放大器输入端电压：时间常数输入电压与作用力间的相位差：时间常数讨论：适合测量高频交变力由运

7、算放大器构成的电压比例放大器2、电荷放大器灵敏度与电缆电容无关1.4.2测量电路（2）电荷放大器可见：电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。第二部分压磁式传感器压磁式测力称重传感器车轮传感器磁致伸缩液位计2.1基本原理1、铁磁性物质磁化过程2.1基本原理2.磁致伸缩:某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。3.铁磁材料的压磁应变灵敏度式中：εμ―磁导率的相对变化；εl―在机械力的

8、作用下铁磁物质的相对变形工业纯铁的εμ和εl的关系2.1基本原理4.压磁效应:铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生