传感器课件第3讲压电式传感器

1、大庆石油学院传感器原理及应用传感器原理及应用主讲人：康朝海主讲人：康朝海山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院压电陶瓷位移器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秤重浮游计压电加速度计压电警号压电警号山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院压电元件压电元件机械能电能山西工程职业技术学院压电晶片人人工工合合成成水水晶晶山西工程职业技术学院按按特特定定方方向向切切片片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

2、标系zyx(a)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系zxy(b)zyx2.2.1压电晶体山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院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+山西工程职业技术学院y+-x(a) fx=0p1p2p3fxxy+fx(b) fx0y+-x-+fxfxp2p3p1+电偶极矩分析山西工程职业技术学院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

3、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； 123ppp123123,()0pppppp123123,()0pppppp山西工程职业技术学院压电元件受力后,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: 1为x方向应力在y轴方向施力时,产生电荷大小为: 2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(长、厚)qdf111xqd1 22ybqda关系式山西工程职业技术学院对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。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

4、有振动频率。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低频特性。环境适应性强。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。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。山西工程职业技术学院2.2.2 压电陶瓷压电陶瓷谐波器超声波医学压电陶瓷压电陶瓷晶片压电陶瓷蜂鸣器打火用压电陶瓷山西工程职业技术学院2.2.2 压电陶瓷山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院聚偏氟乙烯压电效应山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院,2 ,22ccuu qq+_u_+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + +

5、+ + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _电路串联电路串联2 ,2 ,cc qq uu+_+_u电路并联+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ + + + + + + + + + + 山西工程职业技术学院aqucascd等效电容山西工程职业技术学院uukfqqkfquakkcquakk c等效电压源 等效电流源山西工程职业技术学院压电传感器的测量电路iccccididrrrrr电压放大器电荷放大器tsinffmtsincfdcfdcquemee山西工程职业技术学院

6、222)(1icemicccrrfdu前置放大器输入端电压幅值：)(2icecccrarctg输入电压与作用力间的相位差：前置放大器输入端电压：)(1ccrjrjfde时，1)(222icecccricemicccfdu理想211)(11)(11icecccr)(icecccr时间常数222)(1)(iceiceiicccrcccruu理想222)(1icemicccrrfdu12arctg)(2icecccrarctg输入电压与作用力间的相位差：211)(1|理想iiuu1)(11icecccr)(icecccr时间常数山西工程职业技术学院01）（时）（31 , 31211,331理想时）（

7、iiuu0适合测量高频交变力由运算放大器构成的电压比例放大器ffcquu02、电荷放大器ficecacccaqu)1 (0fcqfcquk10灵敏度与电缆电容无关)(21cechccrf上限fflcrf21下限山西工程职业技术学院可见：l 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。l 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。山西工程职业技术学院25 压电传感器的应用压电式压力传感器压电式压力传感器山西工程职业技术学院压电式加速度传感器基座基座壳体壳体弹簧弹簧质量块质量块压电片压电片f=ma,f

8、af=ma,fa又又qfqfqaqa1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。山西工程职业技术学院压电式流量计压电式流量计流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的变化，测量声速随深度的分布情况 利用超声波在顺流

9、方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。山西工程职业技术学院mmpa /01. 0山西工程职业技术学院25 压电传感器的应用晶体管声、光控开关电路晶体管声、光控开关电路山西工程职业技术学院25 压电传感器的应用压电式玻璃破碎报警器山西工程职业技术学院n将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 粘贴粘贴位置位置使用

10、时，用瞬干胶将使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生剧烈振动，表面产生电荷电荷q q ，在两个输出，在两个输出引脚之间产生窄脉冲引脚之间产生窄脉冲报警信号。报警信号。山西工程职业技术学院山西工程职业技术学院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、弹性体山西工程职业技术学院交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。山西工程职业技术学院高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 山西工程职业技术学院压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量 山西工程职业技术学院压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电