传感器第六章 压电式+压磁式

1、第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第一部分第一部分 压电式传感器压电式传感器第一节第一节 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 第二节第二节 压电传感器的等效电路及测量电路压电传感器的等效电路及测量电路第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用第二部分第二部分 压磁式传感器压磁式传感器第一节第一节 压磁效应与压磁元件压磁效应与压磁元件第二节第二节 压磁传感器工作原理及其结构压磁传感器工作原理及其结构第三节第三节 压磁传感器的应用压磁传感器的应用第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器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

2、加速度计压电警号压电警号第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 压电式传感器的原理：压电式传感器的原理： 是以某些电介质的压电是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。电荷，从而实现非电量测量。 特点：特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。点。 应用领域：应用领域：压电传感元件是力敏感元件，它可以压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，

3、例如动态力、动测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第一节第一节 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 一、压电效应一、压电效应二、石英晶体（二、石英晶体（SiOSiO2 2）的压电效应）的压电效应三、陶瓷的压电效应三、陶瓷的压电效应四、压电材料四、压电材料第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁

4、式传感器一、压电效应一、压电效应 顺（正）压电效应：顺（正）压电效应： 某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方向一定方向对其施力而使它对其施力而使它变形时，内部就产生变形时，内部就产生极化极化现象，同时在它的现象，同时在它的一定表一定表面面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重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状态；当作用力方向改变时，电荷新恢复到不带电状态；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。为正压电效应或顺压电效应。返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电

5、式与压磁式传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应） 当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，这些电介质就施加电场，这些电介质就在在一定方向一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电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，这种将电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种将电能转变为机械能的现象。能转变为机械能的现象。逆压电效应逆压电效应返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器二、石英晶体（二、石英晶体（SiOSiO2 2）的压电效应）的压电效应ZXY纵向轴纵向轴ZZ称为称

6、为光轴光轴经过正六面体棱线，经过正六面体棱线，并垂直于光轴的并垂直于光轴的X XX X轴称为轴称为电轴电轴与与X XX X轴和轴和Z ZZ Z轴同轴同时垂直的时垂直的Y YY Y轴（垂轴（垂直于正六面体的棱面）直于正六面体的棱面）称为称为机械轴机械轴第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器(a) (a) 晶体外形；晶体外形； (b) (b) 切割方向；切割方向； (c) (c) 晶片晶片 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器1 1、石英晶体产生压电效应原理、石英晶体产生压电效应原理“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与

7、压磁式传感器F F =0=0时时正、负离子在正六边形顶角正、负离子在正六边形顶角P P1 1、P P2 2、P P3 3互成互成120120夹角夹角正负电荷中心重合正负电荷中心重合电偶极矩的矢量和等于零电偶极矩的矢量和等于零 P P1 1P P2 2P P3 30 0 此时晶体表面不产生电荷，此时晶体表面不产生电荷，即呈中性。即呈中性。yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器受受X X方向压力时方向压力时正、负电荷正、负电荷重重心不再重合心不再重合P1P1减小，减小，P2P2、P3

8、P3增大增大(P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )X X0 0 0X X轴的正向轴的正向: : 负负电荷电荷Y Y、Z Z轴方向无电荷轴方向无电荷yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy 这种沿这种沿Y Y轴施加力，轴施加力，而在垂直于而在垂直于X X轴晶面上产轴晶面上产生电荷的现象即为生电荷的现象即为横向横向压电效应压电效应。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器受受Z Z轴力轴力: :无论是压力还是拉力作用都无论是压力还是拉力作用都会使会使晶体晶体在在x x方向和方向和y y方向产方向产生完全相同生完全相

9、同的形变的形变，所以，所以，正、负电荷正、负电荷重重心保持重合，心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿就表明，在沿z(z(即光轴即光轴) )方方向的力向的力FzFz 作用下，晶体不作用下，晶体不产生压电效应。产生压电效应。（切向压电（切向压电效应）效应）返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2 2、纵向压电效应、纵向压电效应xxFdq11d d1111为为x x方向受力的压电系数方向受力的压电系数 d d1111=2.31=2.311010-12-12C/NC/NF FX X为作用力为作用力返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与

10、压磁式传感器3 3、横向压电效应、横向压电效应yyFbadq12d12y轴方向受力的压电系数；石英晶体对称性，轴方向受力的压电系数；石英晶体对称性， 有有d12= - -d11； a-长度；长度；b-厚度。厚度。 返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 当晶片受到当晶片受到x x方向的压力作用时，方向的压力作用时，q qx x只与作用只与作用力力x x成正比，而与晶片的几何尺寸无关；成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴沿机械轴y y方向向晶片施加压力时，产生的电方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压

11、电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论：结论：返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器三、陶瓷的压电效应三、陶瓷的压电效应无外电场作用时总极化强度为零施加外电场时电畴自发极化方向与外电场一致外电场去掉后具剩余极化强度第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器自由电荷自由电荷

12、束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极 极化方向极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性陶瓷片对外不表现极性第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是电能的现象，就是正压电效应正压电效应。 Fdq33d33 :压电陶瓷压电系数压电陶瓷压电系数F：作用力作用力 加外力加外力 极化方向极化方向F电畴偏转，极化强度电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放变小，自由电荷释放 返

13、回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器逆压电效应：逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象。电能转变为机械能的现象。 极 化极 化方向方向电场方向电场方向返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器（a a）纵向变形）纵向变形d d3333: :压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数； : :作用力。作用力。 33zqd F第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器四、压电材料四、压电材料

14、指压电材料开指压电材料开始丧失压电特始丧失压电特性的温度。性的温度。返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 1 1、石英晶体、石英晶体 石英（石英（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其体。其介电常数介电常数和和压电系数压电系数的温度稳定性的温度稳定性相当好。相当好。 在在2020200200范围内，温度每升高范围内，温度每升高11，压电系数，压电系数仅减少仅减少0.0160.016。但是当到。但是当到573573时，它完全失去了压时，它完全失去了压电特性，这就是它的电特性，这就是它的居里点居里点。 斜率：0.016/1.

15、000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特性6543210100 200 300400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 优点：优点： 性能非常稳定性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。，机械强度高，绝缘性能也相当好。 缺点：缺点： 价格昂贵价格昂贵，且，且压电系数比压电陶瓷低得多压电系数比压电陶瓷低得多。用于。用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。或要求较

16、高的传感器中。 切割：切割： 各向异性晶体各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地选择据不同使用要求正确地选择石英片的切型石英片的切型。 组成：组成： 天然天然和和人工培养人工培养两种类型。因其物理和化学性质两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁

17、式传感器人工合成水晶人工合成水晶双面镀银并封装双面镀银并封装压电晶片压电晶片石英晶体薄片石英晶体薄片石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器（2）水溶性压电晶体）水溶性压电晶体 属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)，硫酸锂(Li2SO4H2O)；属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)等。压电灵敏度和介电常数较高但易受潮，机械强度较低，电阻率低。只限于在室温和湿度低的环境下使用。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器（3）铌酸锂晶体（）铌酸锂晶体（LiNbO2）u通过人工提拉法制成。与石英晶体相似，

18、也是一种单晶体，通过人工提拉法制成。与石英晶体相似，也是一种单晶体，无色或浅黄色，透明。因为是单晶体，所以时间稳定性比无色或浅黄色，透明。因为是单晶体，所以时间稳定性比多晶体的压电陶瓷好得多。是一种压电性能良好的电多晶体的压电陶瓷好得多。是一种压电性能良好的电-声声换能材料。熔点换能材料。熔点1250，居里点，居里点1210 。在耐高温的。在耐高温的传感器上应用广泛。比石英晶体脆弱，而且热冲击性很差，传感器上应用广泛。比石英晶体脆弱，而且热冲击性很差，所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和急冷急热。急冷急热。第第6章章 压电式与压磁

19、式传感器压电式与压磁式传感器 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二）和二氧化钛（氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压分子比例在高温下合成的压电陶瓷。电陶瓷。 它具有很高的它具有很高的介电常数介电常数和较大的和较大的压电系数压电系数约为石约为石英晶体的英晶体的50倍。不足之处是居里温度低（倍。不足之处是居里温度低（120），），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2 2、压电陶瓷、压电陶瓷第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（

20、PZT） 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它与钛酸钡相比，。它与钛酸钡相比，压电系数更大，压电系数更大，居里温度在居里温度在300300以上以上，各项机电参数受温度影响，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌两种其它微量元素（如铌NbNb、锑、锑SbSb、锡、锡SnSn、锰、锰MnMn、钨钨W W等）还可以获得不同性能的等）还可以获得不同性能的PZTPZT材料。因此锆钛材料。因此锆钛酸铅

21、系压电陶瓷是目前压电式传感器中酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛应用最广泛的压电材料。的压电材料。 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 (3)铌酸盐系铌酸盐系压电陶瓷压电陶瓷 这一系中是以铁电体铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅 (PbNb2O6)为基础的。铌酸钾和钛酸钡十分相似，但所有的转变都在较高温度下发生，在冷却时又发生同样的对称程序：立方、四方、斜方和菱形。居里点为 435。铌酸铅的特点是能经受接近居里点(570)的高温而不会去极化，有大的 d33d31比值和非常低的机械品质因数QM。铌酸钾特别适用于作1040MHz的高频换能器。近年来铌酸盐系压电陶瓷在水声传感器

22、方面受到重视。由于它的性能比稳定，适用于深海水听器。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器(4)铌镁酸铅压电陶瓷（PMN） 它由铌镁酸铅 、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（PbTiO3）三种化合物按不同比例配出不同 性 能 的 压 电 陶 瓷 。 具 有 极 高 的 压 电 系 数（d33=80010-1290010-12C/N）和较高的居里点（260）， 而且能承受较高的压力（7107Pa）。 因此可作为工作在高温下的测力传感器的压电元件。12333Pb MgNbO第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器打火用压电陶瓷压电陶瓷蜂鸣器压电陶瓷外形压电陶瓷外形超声波美容

23、仪器用压电陶瓷晶片超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用医用B超换能器用晶片超换能器用晶片第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器3.压电半导体材料压电半导体材料u如硫化锌ZnS、硫化镉CdS 、氧化锌ZnO 、碲化镉CdTe、碲化锌ZnTe、砷化镓CaAs，既具有压电特性，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，研制新型集成压电传感器测试系统。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器3 3、高分子压电材料、高

24、分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，压电薄膜有聚二氟乙烯能，压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC、聚、聚甲甲基基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。碎，可以大量生产和制成较大的面积。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第二节第二节 压电传感器的等效电路及测量电路压电传感器的等效电路及测量电路一、压电晶片的连接方式一

25、、压电晶片的连接方式二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式1 1、并联连接、并联连接+ + + -+ + + + -qq2CC2UU 并联接法输出电荷大，本身电容大，并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适时间常数大，适宜用在宜用在测量慢变信号测量慢变信号并且以并且以电荷作为输出量电荷作为输出量的场合。的场合。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2 2、串联连接、串联连接+ + + -+ + + -+ qq 2CC U

26、U2串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输电压作输出信号出信号，并且测量电路，并且测量电路输入阻抗很高、频率较高输入阻抗很高、频率较高的场合。的场合。返回返回第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器受力和变形受力和变形F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)(a) (a) 厚厚度度变变形形(b) (b) 长长度度变变形形(c) (c) 体体积积变变形形(d)(d

27、)面面切切变变形形(e) (e) 剪剪切切变变形形第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路 q电极电极压电晶体压电晶体qCedAdACre0eCqU 静电发生静电发生器器电容器电容器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 压电传感器可等效为电压源压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ce的串联电路，如图的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源；也可等效为一个电荷源q和一和一个电容器个电容器Ce的并联电路，如图的并联电路，如图(b)。 （a）电压等效电路CeUq/ Ceq UCeCe（b）电荷等效电路第第

28、6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器C Cc c ：连接电缆等效电容：连接电缆等效电容 R Ri i ：放大器输入电阻：放大器输入电阻C Ci i ：放大器输入电容：放大器输入电容 R Rd d ：传感器泄漏电阻：传感器泄漏电阻实际等效电路实际等效电路第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：u把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻 抗输出；抗输出；u放大压电式传感器输出的微弱信号。放大压电式传感器输出的微弱信号。 前

29、置放大器形式：前置放大器形式：u电压放大器电压放大器，用电阻反馈，其输出电压与输入，用电阻反馈，其输出电压与输入电压（传感器电压（传感器 的输出电压）成正比；的输出电压）成正比；u电荷放大器电荷放大器，用电容板反馈，其输出电压与输，用电容板反馈，其输出电压与输入电荷成正比。入电荷成正比。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器1 1、电压放大器、电压放大器若压电元件材料受若压电元件材料受正弦力正弦力作用，则产生的电压值为作用，则产生的电压值为 sinsinmmedFutUtCsinmfFtFm作用力的幅值作用力的幅值电压幅值电压幅值 emmCdFUuiu0uAR CeCiRcCiC

30、uiu0uAdReC第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为，其复数形式为1()iej RUdFj R CC221mimRdFUui的幅值的幅值Uim为为)(arctan2eCCR输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为)(iceididCCCRRRR第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 mimecidFUCCC上式表明前置放大器输入电

31、压前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在与频率无关，一般在/03时，就可以认为时，就可以认为Uim与与无关，无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即 01()eciCCC R第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2)(1RdFUSmimV001VS）（这说明压这说明压电式传感器的电式传感器的高频响应相当好，高频响应相当好，压电传感器压电传感器不能测静态量不能测静态量。 为了得到好的低频响应特性，为了得到好的低频响应特性，越大越好，应大些，R灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定()eciR CCC返回返回（2）/03第第6章章 压电

32、式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器ficeoCACCCAqu)1 ( (1+(1+A A) )C Cf fC Ce e+ +C Cc c+ +C Ci i时时2 2、电荷放大器、电荷放大器返回返回ofquC 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用一、压电式压力传感器一、压电式压力传感器二、压电式力传感器二、压电式力传感器三、压电加速度传感器三、压电加速度传感器四、交通监测四、交通监测 五、压电式玻璃破碎报警器五、压电式玻璃破碎报警器六、压电式声传感器六、压电式声传感器七、压电式流量计七、压电式流量计八、压电式传感器在测漏中的应用八、

33、压电式传感器在测漏中的应用第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器1 1 压电式压力传感器压电式压力传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器1 1、压电式压力传感器、压电式压力传感器Fdq11第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2 2、单向测力传感器、单向测力传感器 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，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xyxy切型，切型， 利用其纵向压电效应，利用其纵向压电效

34、应， 通过通过d d1111实现力实现力电转换。电转换。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器3 3、动态切削力的测量、动态切削力的测量 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器由于压电陶瓷元件的由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给切削力通过刀具传给压电传感器，压电传压电传感器，

35、压电传感器将切削力转换为感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号输出，记录下电信号的变化便可测电信号的变化便可测得切削力的变化。得切削力的变化。压电式刀具切削力测量示意图 压 电 传 感 器输 出 信 号第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器4 4、体育动态测量中应用、体育动态测量中应用压电式纵跳训练压电式纵跳训练分析装置分析装置测量双腿跳的动态力测量双腿跳的动态力压电式步态分压电式步态分析跑台析跑台第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器5 5、压电加速度传感器、压电加速度传感器加速度计加速度计第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器5 5、压电加速度

36、传感器、压电加速度传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁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、弹性体第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器6 6、交通监测、交通监测 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公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路的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，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。并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 可以获取车型可以获取车型分类信息（包括轴分类信息（包括轴数、轴距、

37、轮距、数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车闯红灯拍照、停车区域监控、交通数区域监控、交通数据信息采集（道路据信息采集（道路监控）及机场滑行监控）及机场滑行道等。道等。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器7 7、压电式玻璃破碎报警器、压电式玻璃破碎报警器 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以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。传送给集中报警系统。 粘贴粘贴位置位置使用时，用瞬干胶使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上

38、。将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q Q ，在两个输出引脚之在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警间产生窄脉冲报警信号。信号。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器广泛用于文物保管、广泛用于文物保管、贵重商品保管及其贵重商品保管及其它商品柜台保管等它商品柜台保管等场合。场合。 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，

39、而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器8 8、压电式声传感器、压电式声传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器 根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的分布情况9 9、 压电式流量计压电式流量计流量显示流量显示输出信号输出信号换能器换能器换能器换能器接收接收接收接收发射发射发射发射利用超声波在顺流方向和逆流方向的

40、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。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%。金属壳吸收块保护膜接线片压电晶片导电螺杆第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器A AB BO O点点L LA AL LB B地地 面面L L 如果地面下一均匀的自来水直管道某处如果地面下

41、一均匀的自来水直管道某处O O发生漏水，发生漏水，水漏引起的振动从水漏引起的振动从O O点向管道两端传播，在管道上点向管道两端传播，在管道上A A、B B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O O点传来的点传来的t t0 0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出时刻发出的振动信号所用时间差可计算出L LA A或或L LB B。1010、 压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器两者时间差为两者时间差为t= tA-tB=（LA - LB ）/v22vtLLvtLLBA又又L L=

42、 =L LA A + +L LB B ，所以，所以 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器水漏探测仪设计水漏探测仪设计 前前 放放带通带通滤波滤波放放 大大低通低通滤波滤波传感器传感器B发发 送送前前 放放带通带通滤波滤波放放 大大低通低通滤波滤波传感器传感器A主主 机机接接 收收管管 道道第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 脉搏计脉搏计第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器第二部分 压磁式传感器压磁式测力称重传感器车轮传感器第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2.1 2.

43、1 基本原理基本原理1.1.压磁效应压磁效应: : 铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使磁畴磁化强度发生相应的变化。这动，从而也使磁畴磁化强度发生相应的变化。这种由于应力使铁磁材料的磁化强度发生变化的现种由于应力使铁磁材料的磁化强度发生变化的现象称为压磁效应。象称为压磁效应。MRZE或变换链 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2.铁磁材料的相对导磁率变化与应力之间的关系22B压磁传感器: 用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩) 导

44、磁率大小的变化与受力方向有关：导磁率大小的变化与受力方向有关：如果产生压磁效应的作用力是拉力，那么沿作用力方如果产生压磁效应的作用力是拉力，那么沿作用力方向的导磁率就提高，而在其垂直方向上，导磁率略有向的导磁率就提高，而在其垂直方向上，导磁率略有降低。反之，该作用力为压力时，其效果相反。降低。反之，该作用力为压力时，其效果相反。作用作用力取消后，导磁率复原。力取消后，导磁率复原。铁磁材料的压磁效应还与外铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关。为了使磁感应强度与应力间有单值的函数磁场有关。为了使磁感应强度与应力间有单值的函数关系，必须使外磁场强度的数值恒定。关系，必须使外磁场强度的数值恒定。 第第6章

45、章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器铁磁材料铁磁材料u压磁元件可采用的材料有硅钢片、坡莫合金和一压磁元件可采用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。坡莫合金是理想的压磁材料，它具有些铁氧体。坡莫合金是理想的压磁材料，它具有很高的相对灵敏度，但价格较贵。铁氧体也有很很高的相对灵敏度，但价格较贵。铁氧体也有很高的相对灵敏度，但由于它较脆而不常采用。在高的相对灵敏度，但由于它较脆而不常采用。在压磁式传感感器中大多采用硅钢片，虽然灵敏度压磁式传感感器中大多采用硅钢片，虽然灵敏度比坡莫合金低一些，但在许多实际应用中已经可比坡莫合金低一些，但在许多实际应用中已经可以满足要求。以满足要求。 第第6章

46、章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器2.2 2.2 压磁元件压磁元件四孔圆弧型冲片 为了减小涡流损耗，压磁元件的铁心大都采用为了减小涡流损耗，压磁元件的铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。冲片形状大致上有四种：薄片的铁磁材料叠合而成。冲片形状大致上有四种： 它是一个矩形削去四角，这是为了它是一个矩形削去四角，这是为了在冲孔部位得到较大的压应力，从在冲孔部位得到较大的压应力，从而提高传感器的灵敏度。这种冲片而提高传感器的灵敏度。这种冲片适用于测量适用于测量 以下的力，设计以下的力，设计应力应力 约为约为 。 第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器u与上相比，增加了两个较大的

47、孔，因而与上相比，增加了两个较大的孔，因而中间部分受力减小。其结果是灵敏度减中间部分受力减小。其结果是灵敏度减低，但扩大了量程。同时也可避免压力低，但扩大了量程。同时也可避免压力增大时中间部分磁路达到饱和状态。这增大时中间部分磁路达到饱和状态。这种冲片可测量种冲片可测量 3106N以下的力，设计以下的力，设计应力可达应力可达 （710 ）103N/cm2。 六孔圆弧型冲片六孔圆弧型冲片中字型冲片中字型冲片激励绕组绕在臂激励绕组绕在臂A ，输出绕组绕在臂，输出绕组绕在臂C上，上，在无外力时，磁力线沿最短路程闭合，在无外力时，磁力线沿最短路程闭合，与输出绕组交链的比较小。外力作用时，与输出绕组交链的比较小。外力作用时，臂臂B的磁导率下降，通过臂的磁导率下降，通过臂C的磁力线增的磁力线增多，感应电动势增大。这种冲片的传感多，感应电动势增大。这种冲片的传感器灵敏高。但零电流也大。设计应力为器灵敏高。但零电流也大。设计应力为（2.53 ）103N/cm2 。第第6章章 压电式与压磁式传感器压电式与压磁式传感器u在在 A、 B、 C、 D四个臂上分别绕有四四个臂上分别绕有四个绕组，四个绕组联成一个电感电桥。个绕组，四个绕组联