压电传感器工作原理

1、关于压电传感器的工作原理08.10.20221第1页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20222第一节 压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 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那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 第2页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10

2、.20223一、压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 第3页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20224石英晶体的压电效应演示 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；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏

3、、消失。第4页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20225二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。第5页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20226（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形第6页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20227天然形成的石英晶体外形（续） 第7页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20228石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面

4、镀银并封装第8页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.20229石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振第9页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202210（二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。 第10页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四0

5、8.10.202211压电陶瓷外形 第11页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202212无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 第12页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202213高分子压电薄膜及拉制 第13页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202214（三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制

6、成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。第14页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202215高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 第15页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202216可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 第16页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202217压电式脚踏报警器 第17页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202218高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）第18页，共27页，2022年，5月20日

7、，2点30分，星期四08.10.202219第二节 压电传感器的测量转换电路 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小： 电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。第19页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202220四通道电荷放大器外形 .第20页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202221上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料） 灵 敏 度：0.11000mV/pC频率范围：0.3100KHz 噪声(最大增益

8、)：折合至输入端小于5V准 确 度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz 控制方式：计算机或手动焊接式 电荷放大器第21页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202222超小型电荷放大器模块 主要指标:灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统第22页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202223其他电荷放大器外形面板式电荷放大器第23页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202224其他电荷放大器外形（续）第24页，共27页，2022年，5月20日，2点30分，星期四08.10.202225本章作业p10