[工学]第5章 压电式传感器ppt课件

1、传感器原理及工程运用第5章 压电式传感器JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI第6章 压电式传感器 本章根本要求：了解：常用压电资料的类型和特性参数、压电式传感器的运用；了解：压电传感器被测参数特点；重点掌握：压电式传感器的任务原理、信号丈量电路。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI第5章 压电式传感器敏感元件：压电元件参数变化过程：非电量压电效应外表电荷实现功能：机械能量 电能量转换丈量参数：动态力压力、机械冲击、振动、加速度优点：体积小、分量轻、任务频带宽JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI第6章 压电式传感器 5.1 压电传感器任务原理 5

2、.2 压电式传感器丈量电路 5.3 压电式传感器的运用 5.4 超声波传感器 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化景象，同时在它的两个外表上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电形状。逆压电效应电致伸缩效应 ：当在某些电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形。压电资料功能：实现机电能量的相互转换压电元件机械量电量JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 压电资料种类： a、石英晶体 b、压电陶瓷JIANG HAN

3、UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 天然构造的石英晶体外形，它是一个正六面体，纵向轴 z 称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 称为电轴，与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 纵向压电效应：沿电轴 x 方向 横向压电效应：沿机械轴y方向 式中, d11为x方向压电系数 d12 为y方向压电系数，d12 d11电荷与切片尺寸无关 电荷与切片尺寸有关 xxFdq11yyFhldq12JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 压电资料特征参数

4、： 压电常数: 压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 弹性常数: 压电资料的弹性常数、刚度决议着压电器件的固有频率和动态特性。 介电常数: 压电元件固有电容与介电常数有关；而电容又影响着压电传感器的频率下限。 机械耦合系数：压电效应中，衡量压电资料机电能量转换效率的一个重要参数。 电阻: 压电资料的绝缘电阻将减少电荷走漏，改善低频特性。 居里点温度: 压电资料开场丧失压电特性的温度。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI常用压电资料性能参数JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 外力作用而在压电资料上产生的电荷只需在无走漏的情

5、况下才干保管，即需求丈量回路具有无限大的输入阻抗，这实践上是不能够的， 因此压电式传感器不能用于静态丈量。压电资料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供应丈量回路一定的电流，故适用于动态丈量。单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度， 在实践运用中常采用两片或两片以上同型号的压电元件粘结在一同。由于压电资料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1 压电传感器任务原理 接法： a、并联接法 b、串衔接法 场所：丈量缓变信号，电荷输出 输出电压大，丈量电路输入阻抗高 (a)(b)CCUUQQ222CC2UUQQJIANG

6、HAN UNIJIANG HAN UNI 5.1.2 压电式传感器等效电路 压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时，它也是一个电容器等效电路： a、电压等效电路 b、电荷等效电路 CauaCaq(a)(b)aaUCQ aaCQUJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI 5.1.2 压电式传感器等效电路 实践等效电路： a、电压等效电路 b、电荷等效电路 aaUCQ aaCQUUaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.1.2 压电式传感器等效电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的丈量电路通常

7、需求接入一个高输入阻抗前置放大器。放大电路作用： a、把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 b、放大传感器输出的微弱信号压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此前置放大器也有两种方式：电压放大器和电荷放大器。 JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.2 压电式传感器的丈量电路 1. 电压放大器阻抗变换器等效阻抗： AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)RCjRRCjRCjZZZZZCCCCRRRRRicaiaia1112121JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.2 压电式传感器的丈量电路压电元件受正弦力 f =Fm sint

8、的作用 产生电荷： 对应电流： 电流复数方式： 输出电压：tdFQmsintdFdtdQimcos.FdjIRCjjFdRCjRIUi11.JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.2 压电式传感器的丈量电路 电压输出幅值： 电压输出相位差：理想情况下，Ra与Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1 电压输出幅值：22)()(1)(icamimCCCRRdFURCCCica)(tan2)(1icamamCCCdFU)(JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.2 压电式传感器的丈量电路 实践输出电压与理想输出电压之比： 令： 那么:22)()(1)(icaicaa

9、mimCCCRCCCRUU1)(11icaCCCR2111amimUU11tan21amimUUJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.2 压电式传感器的丈量电路 结论：当作用在压电元件上的力是静态力时，那么前置放大器输出电压为0，阐明压电传感器不能丈量静态量。当 时， ，输出电压与作用力频率无关，被测力的频率越高，越能满足上述条件，越接近理想输出电压。阐明压电传感器有良好的高频呼应特性。对于缓慢变化的动态量，必需尽能够的提高回路时间常数，即要求放大器的输入电阻越大，传感器的低频特性越好。311amimUUJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.2 压电式传感器

10、的丈量电路 2. 电荷放大器当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时： fiicaiCUUCCCUQ)()(0 AuoCiqCaCeCrficaoCACCCAQU)1 ( foCQUiAUU0JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.3 压电式传感器的运用 5.3.1 压电式测力传感器 组成：由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座 运用场所：传感器的测力范围为05000N，最小分辨率为0.001 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.3 压电式传感器的运用 5.3.2 压电式加速度传感器 组成：压电元件、质量

11、块、预压弹簧、基座及外壳 电荷灵敏度： 电压灵敏度：灵敏度与压电系数成正比 灵敏度与质量快成正比dmadmaadFaQSqaaavCdmaCQaUS压电加速度传感器压电陶瓷PT1000电荷放大器温度测量电路PIC单片机显示模块报警模块微型打印机JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.3 压电式传感器的运用 5.3.3 压电式玻璃破碎报警器 文物防盗、博物馆防盗和重要或重要物件保管都需求设置玻璃破碎报警器来保证其平安，目前采用最多的就是压电式玻璃破碎报警器，它具有运用频带宽、灵敏度高、构造简单、任务可靠、质量轻、丈量范围广等许多优点。 压电传感器放大器交直流变换电路比较器单片机L

12、CD显示、报警门限电压电源JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.3 压电式传感器的运用 5.3.3 压电式玻璃破碎报警器 1输入放大电路 2直流变换与比较输出电路JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.4 超声波传感器 1. 超声涉及其波形 2. 超声波传感器 3. 超声波传感器运用JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI超声涉及其波形敏感元件：压电元件运用：超声探伤、超声清洗、超声检测、超声波医疗、超声焊接次声波：频率低于16 Hz的机械波声波：频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波超声波：频率高于2104 Hz的机械波1011021

13、03104105106107f / Hz微 波探 测超 声 波语 言音 乐声 波次 声 波0.2510620106JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI超声涉及其波形纵波：质点振动方向与传播方向一致的波，在固体、液体和气体中传播。 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，在固体中传播。 外表波：质点的振动是纵波和横波合成，沿着介质外表传播212111EvL2112EvSJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.4 超声波传感器超声波传感器：超声波在超声场中物理特性和各种效应的安装。 组成： 发射探头：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波 接纳探头：

14、利用正压电效应将超声振动波转换成电信号JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.4 超声波传感器 1 超声波物位传感器 任务原理：利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。假设从发射超声脉冲开场，到接纳换能器接纳到反射波为止的这个时间间隔为知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进展丈量。hh2a2ahhss(a)(b)JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.4 超声波传感器 2 超声波物位传感器 任务原理：利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。假设从发射超声脉冲开场，到接纳换能器接纳到反射波为止的这个时间间隔为知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进展丈量。 反射时间： 液位深度：22cthchtJIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.4 超声波传感器 3 超声波物位传感器超声物位传感器具有精度高和运用寿命长的特点。在普通运用条件下， 它的丈量误差为0.1%，检测物位的范围为10-2104m。 hh2a2ahhss(a)(b)JIANG HAN UNIJIANG HAN UNI5.4 超声波传感器 4 超声波流