2-03压电式传感器重点

2-03压电式传感器重点第一页，共22页。3.1压电式力学传感器3.1压电效应1.压电效应的概念某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。第二页，共22页。2.压电效应原理具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理第三页，共22页。石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可用图来说明。第四页，共22页。⑴在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象，如图2-26（a）所示。⑵当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形，如图2-26（b）所示。硅离子的正电荷中心上移，氧离子的负电荷中心下移，正负电荷中心分离，在晶体的x面的上表面产生正电荷，下表面产生负电荷而形成电场。反之，如果受到拉力作用时，情况恰好相反，x面的上表面产生负电荷，下表面产生正电荷。如果受到的是交变力，则在x面的上下表面间将产生交变电场。如果在x上下表面镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。第五页，共22页。⑶同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形，如图2-26（c）所示。硅离子的正电荷中心下移，氧离子的负电荷中心上移，在x面的上表面产生负电荷，在x面的下表面产生正电荷，这个过程恰好与x轴方向受压力时的情况相反。⑷当晶体的光轴（Z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。第六页，共22页。3.2.压电材料1.压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数有：⑴压电常数⑵弹性常数⑶介电常数⑷机械耦合系数⑸绝缘电阻第七页，共22页。2.常用压电材料在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。⑴石英晶体石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定，介电常数与压电系数的温度稳定性特别好，且居里点高，达到575oC。此外，它还具有很大的机械强度和稳定的机械性能，绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、迟滞小等优点第八页，共22页。⑵压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，与石英晶体相比，压电陶瓷的压电系数很高，具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，制造成本很低。因此，在实际应用中的压电传感器，大多采用压电陶瓷材料。压电陶瓷的弱点是，居里点较石英晶体要低，达到200~400oC，性能没有石英晶体稳定。①钛酸钡压电陶瓷②锆钛酸铅系列压电陶瓷③铌酸盐系列压电陶瓷④铌镁酸铅压电陶瓷第九页，共22页。⑶高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，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。这些是柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。第十页，共22页。3.3压电式传感器测量电路1.压电式传感器的等效电路第十一页，共22页。实际等效电路第十二页，共22页。2.压电式传感器测量电路根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式。由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。（1）电荷放大器第十三页，共22页。（2）电压放大器（阻抗变换器）第十四页，共22页。2.5.4压电式传感器的应用1.压电传感器的基本结构第十五页，共22页。2.压电传感器的应用（1）压电式力传感器第十六页，共22页。（2）压电式加速度传感器

第十七页，共22页。（3）压电式玻璃破碎报警器

第十八页，共22页。（4）压电式金属加工切削力测量

第十九页，共22页。小结压阻式传感器利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等特点，是获得广泛应用而且发展非常迅速的一种传感器。某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。第二十页，共22页。压电式传感器的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式。由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。由于外力作用在压电传感元件上所产生的电荷只有在无泄漏的情况下才