压电式传感器汇总PPT学习教案

1、会计学1 压电式传感器汇总压电式传感器汇总 第1页/共98页 5.1 压电效应及压电材料 第2页/共98页 第3页/共98页 第4页/共98页 第5页/共98页 第6页/共98页 第7页/共98页 第8页/共98页 第9页/共98页 第10页/共98页 第11页/共98页 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。 第12页/共98页 在晶体学中，可以把将其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。 第13页/共98页 第14页/共98页 第15页/共9

2、8页 石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。 图图-2-2是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧 离子，在垂直于离子，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个平面上的投影，等效为一个 正六边形排列。正六边形排列。 图中图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+ 4+， ， “ “” 代表氧离子代表氧离子OO2- 2-。 。 第16页/共98页 第17页/共98页 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1、2、3。 如图5-3（

3、a）所示。 因为= 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 1+2+30 所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。 第18页/共98页 第19页/共98页 在y、z方向上的分量为: (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 0 当晶体受到沿x方向的压力（x 0 第20页/共98页 第21页/共98页 当晶体受到沿x方向的拉力（x 0）作用时，其变化情况如图5-3（c）所示。电偶极矩1增大， 2、 3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (1 +2 +3) xR1 1，那么由式，那么由式 （5-85-8）可知，理想情况下输入电压幅

4、值）可知，理想情况下输入电压幅值U Uim im为 为 ica m im CCC Fd U 33 上式表明前置放大器输入电压上式表明前置放大器输入电压U Uim im与频率无关，一般在 与频率无关，一般在 /0 033时，就可以认为时，就可以认为U Uim im与 与 无关，无关， 0 0表示测量电表示测量电 路时间常数之倒数，即路时间常数之倒数，即 R)CCC( ica 1 0 (5-10) 第64页/共98页 这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当 作用于压电元件的力为静态力（作用于压电元件的力为静态力（ =0=0）时，）时， 前置放大前置放大

5、 器的输出电压等于零，器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电因为电荷会通过放大器输入电 阻和传感器本身漏电阻漏掉，阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用所以压电传感器不能用 于静态力的测量。于静态力的测量。 第65页/共98页 第66页/共98页 INPUT C1 R1 R3 R5 R2 C2 D2 D1 BG1 R4 BG2 D3 R6 C3 E OUTPUT 电压放大器电压放大器 第67页/共98页 12 3 12 (5 11) i R R RR RR (5 12) 1 i if u R R A 第68页/共98页 if R 04 1 / /(5 13) m RR g

6、m g 第69页/共98页 A uo CiqCaCe Cr 第70页/共98页 f do C q UU 第71页/共98页 由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压 fica o C)A(CCC Aq U 1 F o C q U 第72页/共98页 第73页/共98页 第74页/共98页 Co Cc R1 10G RF 1M R3 100k R4 130k R5 890k R6 150k - + AD544/TO 3 2 6 0 C1 300p C2 47u w1 30k C3 2000p w2 100k - + UA776 3 2 6

7、 5 8 1 0 V 输出 加速度传感器 PV-96 图图5-9 微振动检测电路微振动检测电路 第75页/共98页 2 S 第76页/共98页 压 电 薄 膜 线性电 荷放大 电路 带通滤波器 和50Hz工频 陷波器 电 压 放 大 器 处理 器 A / D 图图5-10 5-10 脉象仪的硬件组成脉象仪的硬件组成 第77页/共98页 5 10 s 第78页/共98页 第79页/共98页 压力式单向测力传感器结构图压力式单向测力传感器结构图 第80页/共98页 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为 0.10.5mm0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，

8、将力传，外力作用使它产生弹性变形，将力传 递到石英晶片上。石英晶片采用递到石英晶片上。石英晶片采用xyxy切型，切型， 利用其纵利用其纵 向压电效应，向压电效应， 通过通过d d11 11实现力 实现力电转换。电转换。 第81页/共98页 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由 压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 结构图结构图 第82页/共98页 当加速度传感器和被测物

9、一起受到冲击振动时，当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时， 压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律， 此惯性力是加速度的函数，此惯性力是加速度的函数， 即即 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m质量块的质量；质量块的质量； a加速度。加速度。 第83页/共98页 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的成正比。因此，测得加速度传感器输出的 电荷便可知加速度的大小。电荷便可知加速度的大小。 此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷作用于压电元件上，因而产生电荷q， 当传感器选定后，当传感器

10、选定后，m为常数，为常数， 则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为 madFdq 3333 第84页/共98页 第85页/共98页 SPdFdq 1111 第86页/共98页 第87页/共98页 第88页/共98页 第89页/共98页 第90页/共98页 2 2 vtL L vtL L B A 第91页/共98页 第92页/共98页 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端 面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声 波。所以，换能器波。所以，换能器S1是声频信号发生器是声频信号发生器。 当当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空时，空 气振动产生的压力作用在气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现的压电陶瓷片上使之出现 充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 所以，换能器所以，换能器S2是声频信号接收器是声频信号接收器。 第93页/共98页 第94页/共98页 -A0 48 Ca RaqCcCiRi Rf Cf U0 4 10 第95页/共98页 人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。