传感器教案11-2压电式传感器测力

福建交通职业技术学院(教案)首页班级：09计控1、2班 日期：2011年5月6日编号：11-2工程三 力和压力检测单元一 压电式传感器测力教学目的1、了解压电元件的材料，生疏压电元件的根本工作原理；与要求23(时间安排：2课时；任课教师：朱其祥)本课重点与难点

重点:压电元件的根本工作原理。难点:压电元件的连接方法。次序内次序内1一、根本工作原理课2二．压电式传感器的测量电路3三、压电式传感器及其应用4四、压电式压力传感器试验电路堂5五、小结6六、布置作业进7七、板书安排程福建交通职业技术学院教案纸第页福建交通职业技术学院教案纸第页课程：传感器原理及应用 10～11 学年第_2_学期第11周5月6日教 学 内 容 备注Δ〔略〕Δ概述1880是严济慈深入争论并准确测量给出的。压电传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应，是典型的无源传感器。当介质体积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度、机械冲击与振动等。一、根本工作原理〔一、压电效应某些电介质，当沿着肯定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个外表上会产生异号电荷，当外力消逝后，又重恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向转变时，电荷极性也随之转变。当在电介质极化方向施加电场，这些〔或电致伸缩效应压电材料的正压电效应。〔二、压电材料自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应格外明显的并不多。自然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。石英晶体课程：传感器原理及应用 10～11 学年第_2_学期第11周5月6日教 学 内 容 备注自然石英(SiO2)晶体如下图，它是一个正六面体，在它上面有三个坐标轴。石英晶体中间棱柱断面的下半局部，其断面为正六面形。z轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在该轴方向没有压电效应，xxy的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。假设从石英晶体上切割出一个平行六面体，如图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力〔Fy或Fx〕作用下，晶体会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴(x(x在沿着电轴x方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；而把沿机械轴y方向力的作用下，产生电荷的现象称为横向压电效应。当沿光轴z方向受力时，晶体不会产生压电效应。在压电晶片上，产生电荷的极性与受力的方向有关系。上图给出了电荷极性与受力方向的关系。xFx，则在加压的两外表上分别消灭正负电荷，如图〔a〕所yFyx的外表上，只是电荷的极性相反，如图〔c〕所示。假设将x、y轴方向施加的压力改为拉力，如图〔〕(x方向)压电效应与元件尺寸无关，而横向(y压电陶瓷需要受到极化后才具有压电效应。压电陶瓷内部的晶体有有肯定的极化方向，从而存在肯定电场。在无外电场作用时，原始的压电陶瓷内极化强度为零，呈电中性，不具有压电特性。在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场去掉时，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时。电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系。课程：传感器原理及应用 10～11 学年第_2_学期第11周5月6日教 学 内 容 备注二．压电式传感器的测量电路压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个则其电容量为因此，压电传感器可以等效为一个与电容器Ca串联的电压源Ua，如图〔a〕所示；也可以等效为一个与电容器并联的电荷源q，如图〔b〕所示。电压Ua，电荷量q和电容量Ca这三者的关系为课程：传感器原理及应用 10～11 学年第_2_学期第11周5月6日教 学 内 容 备注常用的前置放大器主要有电压放大器和电荷放大器两种类型。〔1〕电压放大器(略)〔2〕电荷放大器Cf的高增益运算放大器电路。当放大器的电压放大倍数A12压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料通常承受两片或两片以上黏合在一起。由于电(a)为并联，适用于测量缓慢变化的信号，并以电荷为输出量；图(b)为串联，适用于测量电路有高输入阻抗，并以电压为输出量。以下图给出了压电元件的构造与组合形式。按压电元件外形分，有圆形、长方形、片状形、(a)(f)(i)所示。课程：传感器原理及应用 10～11 学年第_2_学期第11周5月6日教 学 内 容 备注3P50)三、压电式传感器及其应用压电式力传感器压电式传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力－电转换装置。压电式加速度传感器当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，依据牛顿其次定律，此惯性力是加速度的函数压电式金属加工切削力测量传感器由于压电陶瓷元件的自振动频率高，特别适合测量变化猛烈的载荷。当进展切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出。压电式玻璃裂开报警器它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和裂开时产生的振动波。传感器把震惊波转换成电压输出，输出电压经过放大、滤波、比较等处理后供给应报警系统。雨滴传感器振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，压电元件把从振动板传递来的变形传换成电压。血压计传感器电子血压计通过在捆扎布内部安装的传感元件，把血液流过血管中产生的“克隆脱克泼”音变换成电信号。乐器传感元件乐器传感元件如下图。把压电元件特别的阻尼材料夹住，存放在一个外壳中。由于压电元件的衰减时间快，固有共振频率低，因此能够得到清楚而严峻的回授音，右图是元件的频率特性。传感器安装在吉他的躯体部位是，由于能够检测到弦振动引起的躯体的共振，经放大从课程：传感器原理及应用 10～11 学年第_2_学期第11周5月6日教 学 内 容 备注扬声器中传播出演奏。压电打火机、煤气灶打火开关、炮弹触发引信等。压电陶瓷还可以作为敏感材料，应用于扩音器、电唱头等电声器压电地震仪周密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。四、压电式压力传感器试验电路在图示的传感开关试验电路中，接通电源时，电容器C极板两端电压为零，与之相连的场效应管掌握栅板极G的偏压为零，这时V〔 ，其漏源电流把红色发光二极管〔 。当用小的物体，例如火柴杆从10cm高度自由下落砸到压电陶瓷片上时，SP产生负向脉冲电压，通过二极管VD1向电容器C充电，VT的掌握栅极加上负偏压，并超过3DJ6H所需要的夹断电压-9V，这时V〔 ，红色发光二极管〔 。二极管VD2旁路SP在碰撞完毕后，随着电容器C上的电压由于元器件漏电而渐渐降低，小于夹断电(确定值)，VT