传感器原理与应用_CH7-压电与超声波

1、 。水声（声呐）换能器水声（声呐）换能器压电陶瓷超声换能器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电加速度计压电警号压电警号v 自然界中自然界中3232种种晶体点阵，分为中心晶体点阵，分为中心对称对称和和非非对称对称两大类，其中非中心对称的两大类，其中非中心对称的2121种有种有2020种种具有压电效应，压电现象是具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对晶体缺乏中心对称称引起的。引起的。压电元件压电元件机械能电能压压电电晶晶片片按特定方向切按特定方向切片片人工合成水晶人工合成水晶QdF11xxqd12yybqda123PPP123123,()0PPPPPP123123,()0PPPPPP例7-1 石英晶

2、体的d11为210-12CN-1，石英晶体的长度是宽度的2倍，是厚度的3倍。（1）当沿着电轴施加3106N的压力时，求电量qx；（2）当沿着机械轴施加3106N的压力时，求电量qx；（3）若沿电轴施加作用Fx，用反馈电容Cf=0.01uF的电荷放大器测出其输出电压幅值Uo=0.4V，求作用力Fx。解：（1） qx= d11 Fx= 210-12 3106 = 610-6（C）（2） qx= - d11（长度（长度/厚度）厚度） Fx= - 210-12 33106 = - 1.810-5（C）（3） qx = Cf Uo = 0.01 10-6 0.4 = 4 10-9 （C） Fx = qx

3、/ d11 = (4 10-9 )/(210-12) = 2 103 （N）22CCQQUU+_+_U+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ + + + + + + + + + + 输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合电荷输出的场合。22CCUUQQU+_+ + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _串联时，输出电压大、电容小

4、、时间常数小，适宜测量高频信适宜测量高频信号和以电压输出的场合号和以电压输出的场合。QdF压电传感器可视为电荷源压电传感器可视为电荷源 /aUQ CaSCdaQC U/aUQ C 视为视为电荷输出电荷输出时可时可等效等效为电荷源为电荷源Q和和电容电容Ca并联，开路状态输出端电荷为：并联，开路状态输出端电荷为： 视为视为电压输出电压输出时可时可等效等效为电压源为电压源U与与电容电容Ca串联，开路状态输出端电压为：串联，开路状态输出端电压为： 看成具有看成具有+、- 极性的电容器，极性的电容器，可可 电容极板上电压大小与极板间电容极板上电压大小与极板间电荷成正比电荷成正比uUKFqQKFquaKK

5、CquaKK C等效电压源 等效电流源aQUC等效电压源等效电压源 等效电流源等效电流源12( )()1()imimUKU/uqaKKCimumaciUdKFCCC0fQUC 0(),mimimacidFUUKUCCC 压电加速度传感器 利用压电效应，在加速度计受振动时，质量块加在压电元件上的力（F=ma）也随之变化。 当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压（或电荷）与被测加速度成正比。1.灵敏度及其产生误差的原因 灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法： 选用压电系数大的压电元件，对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多（串联或并联）而增大。 串联：上下

6、极板的电荷量与单片相同，电容值为单片的一半，输出电压增大1倍。则电荷灵敏度不变电荷灵敏度不变，电压灵敏度增大电压灵敏度增大1倍倍。 并联：输出电荷量增大，电压不变，电容值增大，则电荷灵敏度增大，电压灵敏度不变。 加速度计尺寸越大，其固有频率越低加速度计尺寸越大，其固有频率越低。 因此选用加速度计时，应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。=qqSa=vUSa 2.压电振动加速度传感器的性能指标： 灵敏度 压电式加速度传感器属于自发电型传感器。 输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）；输入量为加速度，单位为m/s2，所以灵敏度以pC/(m/s2)为单位。 大

7、多数测量振动的仪器都用标准重力加速度g作为加速度的单位，并在仪器的面板上以及说明书中标出。灵敏度的范围约为10100pC/g。 许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mV/g，通常为101000mV/g。 高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。 低灵敏度的压电传感器可用于测量剧烈的振动。 2.压电振动加速度传感器的性能指标（续）： 常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz20kHz. 常见的测量范围为0.1100g。 对于又窄又陡的冲击信号，测量冲击振动时应选用10010000g的高频加速度传感器； 测量桥梁、地基等微弱振动，要选择0.00110g的高灵敏度的低频加速度传感器。超声波传感

8、器超声波传感器振动式液位开关振动式液位开关超声波换能器超声波换能器点火器晶体 压电膜话筒压电膜话筒 话筒话筒中，压电膜以一定的中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张支撑形式保持膜内一定张力。力。 在外来声压作用下，膜面在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压应力改变，产生相应的压电信号。电信号。 蜂鸣片利用逆压电效应蜂鸣片利用逆压电效应压电膜话筒结构示意图压电膜话筒结构示意图 PVF2压电膜压电膜 絮状絮状材料垫材料垫声压声压蜂鸣片利用逆压电效应原理蜂鸣片利用逆压电效应原理晶体管声、光控开关电路晶体管声、光控开关电路超声波测距原理时序波形示意图超声波测距原理时序波形示意图接收信号接收信号医学超声波检