第9章 压电式传感器ppt课件

.,压电式传感器,压电式传感器的工作原理是基于某些物质的压电效应，是一种典型的有源传感器，即发电型传感器。压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、机械阻抗大、信噪比高、工作可靠、测量范围广等优点，它可以把力、压力、加速度等许多非电量转化为电量，因此在机械、声学、力学、医学和航空航天等领域得到了广泛的应用。,.,9.1压电效应及压电材料9.2压电传感器的等效电路和测量电路9.3压电传感器的应用,压电式传感器,.,压电式传感器,9.1压电效应及压电材料,一、压电效应,某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。,.,压电式传感器,正（顺）压电效应示意图,.,石英晶体的压电效应演示,四、压电式传感器：,.,压电式传感器,反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。,压电效应的可逆性,.,压电式传感器,二、压电材料,压电常数,弹性常数（刚度）,介电常数,机电耦合系数,电阻率,居里点,压电效应强弱：灵敏度,固有频率、动态特性,固有电容、频率下限,机电转换效率,泄漏电荷、改善低频特性,丧失压电性的温度,机械性能,电性能,温度稳定性,时间稳定性,压电特性不随时间蜕变,.,压电式传感器,常用压电材料,.,压电式传感器,二、压电材料,1.石英晶体,如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。,.,压电式传感器,1.石英晶体,如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,.,压电式传感器,1.石英晶体,.,压电式传感器,当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷qx,其大小为：qx=d11Fx式中:d11x方向受力的压电系数;Fx作用力,若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为：qy=d12Fya/bd12y轴方向受力的压电系数,d12=-d11a,b晶体切片长度和厚度。,石英晶体切片,.,压电式传感器,硅氧离子的排列示意图,“”代表硅离子Si4+，“”代表氧离子O2-。,石英晶体产生压电效应的微观机理硅氧离子在xy平面上的投影,.,压电式传感器,当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图(a)所示。,因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即：P1+P2+P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。,.,压电式传感器,当晶体受到沿x方向受到压力Fx作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零，即在x轴的正向出现正电荷:(P1+P2+P3)x0,在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0,.,压电式传感器,当晶体受到沿x方向的拉力Fx作用时，其变化情况如图（c）所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为(P1+P2+P3)x(Ca+Cc+Ci)一般认为(1+K)Cf10(Ca+Cc+Ci)时，传感器的输出灵敏度可以认为和电缆电容等无关。,Ca传感器的内部电容；Cc电缆电容；Ci前置放大器的输入电容。,.,压电式传感器,9.3压电式传感器的应用,一、压电式加速度传感器,压缩式压电加速度传感器结构,.,压电式传感器,.,压电式三向力传感器,压电式传感器,二、压电式测力传感器：,单向力传感器,x、y、z轴双晶片,.,压电式传感器,.,压电式压力传感器,压电式传感器,.,压电引信,压电陶瓷：弹丸起爆装置破甲弹,压电式传感器,.,火炮堂内压力测试,发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。,压电式传感器,.,冲击试验台的标定和检测,压电式传感器,.,汽车安全气囊系统,事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体,压电式传感器,.,气体发生器输出特性测试,压电式传感器,密封容器压力测试法,.,振动测量仪,积分：振动速度、幅值,压电式传感器,.,压电式血压传感器,指套式电子血压计,压电式传感器,.,压电式传感器,.,压电式传感器,.,压电式传感器,.,3、能否用压电传感器测量静态压力？为什么？,压电式传感器习题,1简述正、逆压电效应。,2、压电式传感器的前置放大