传感器原理及应用-第6章 - 压电式传感器课件

1、 第六章 压电式传感器压电式传感器的定义 利用压电材料的压电效应，实现机械能与电能相互转换的传感器。压电式传感器的感测量 动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。压电式传感器的种类 根据工作原理：正压电效应型和逆压电效应型。压电效应 被测非电量电压值测量电路U、I电荷值 第六章 压电式传感器压电加速度计 压电陶瓷超声换能器压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电警号6.1 压电效应 6.2 压电材料6.3 压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用 第六章 压电式传感器一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 2、逆压电效应当在某些物质的极化方向上施加

2、电场，这些材料在某一方向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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。压电元件机械能电能应力应变电荷电场3、压电效应的特点（1）压电效应具有可逆性一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 3、压电效应的特点（2）具有瞬时性当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。（3）具有不稳定性当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 压电单晶体：石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、

3、硫酸锤等)。常见的压电材料可分为两类：压电单晶体和多晶体压电陶瓷。多晶体压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。天然石英压电陶瓷二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 天然石英晶体，结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称的棱锥。在晶体学中，用三根互相垂直的轴建立描述晶体结构形状的坐标系。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。1、石英晶体压电效应二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 2、石英晶体压电效应的微观机理+xy+-FxFxCa+Cc+Ci时，则有 1、电荷

4、放电器输出电压电荷放大器等效电路反馈电容Cr折合到放大器输入端的有效电容为(1+A)Cr。电荷放大器的输出电压为二、电荷放大器6.4 压电式传感器测量电路 电荷放大器输出电压2、电荷放电器的特点（1）电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，且与电荷成正比。（2）采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。（4）为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cr的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cr的容量做成可选择的，范围一般为102104pF。（3）电路复杂，价格昂贵。6.1 压电效应 6.2 压电材料

5、6.3 压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用 第六章 压电式传感器6.5 压电式传感器应用 压电式传感器主要测量动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。1、压电式力传感器压电式单向测力传感器的结构，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件，外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。利用压电效应，实现力电转换。6.5 压电式传感器应用 2、压电式加速度传感器压电式加速度传感器的结构，主要由压电元件、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。

6、当压电式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。惯性力作用于压电元件上，产生电荷。输出电荷与加速度成正比。因此，根据加速度传感器输出电荷便可知加速度的大小。6.5 压电式传感器应用 3、压电式声传感器当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，因压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短，产生振动发射声波。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则发射或接收的声频信号即为超声波。这样的换能器称为压电超声换能器。铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环当一定频率的声频信号加在压电陶瓷片上时，压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，压电陶瓷上因正压电效应出现充、放电现

7、象，声频信号转换成交变电信号，接收声频信号。6.5 压电式传感器应用 4、压电式流量计超声波流量计：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。 流量显示输出信号换能器换能器接收接收发射发射6.5 压电式传感器应用 5、压电式传感器管道检漏地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。地 面ABO点LALBL6.5 压电式传感器应用 6、石英晶体振荡器（晶振）6.5 压电

8、式传感器应用 7、压电式玻璃破碎报警装置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。厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。用瞬干胶粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。质量块6.5 压电式传感器应用 8、压电式周界报警系统压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可通过信号处理系统分辨出来。在重要位置出入口、周界安全防护等地方应用。6.5 压电式传感器应用 9、压电式交通监测系统高分子压电电缆埋在公路的路面下约5cm，可获取车型分类信息（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）等。也用于机场滑行道监测等。6.5 压电