任务四 压电式压力传感器

教学内容任务四压电式压力传感器课时2教学目标知识目标1.了解压电式传感器的工作原理；2.了解压电式元件的结构及分类；3.了解压电式传感器的测量转换电路；4.了解压电式传感器的实际应用及接线。能力目标1.能利用压电式传感器测量压力；2.能识别各种压电式传感器。素质目标1.养成独立思考和解决问题的习惯；2.培养小组团结协作的学习精神。教学重点1.压电式传感器的工作原理；2.压电式元件的结构及分类；3.压电式传感器的测量转换电路；4.压电式传感器的实际应用及接线。教学难点1.压电式传感器的工作原理；2.压电式传感器的测量转换电路；教学策略教法学法讲解，分析讨论，动画观看，ppt展示教学手段教具准备课件，多媒体，ppt，图片，动画，视频教学过程教学要点及教师活动学生活动教学引入在生产过程中，压力检测与调控系统的应用非常广泛。且对压力的监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全、实现经济运行所必须的。今天我们将学习另外一种压力检测方法——压电式压力传感器。我们可以在日常生活中找到类似压电式的实际应用，例如打火机，打火机点火就是一种压电打火的应用。学生思考，了解传感器在生产生活中的应用。教学过程教学要点及教师活动学生活动压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器，是典型的无源传感器。它可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。它具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。一、压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。1.压电效应某些电介质，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，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称压电效应（正压电效应）。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）。2.压电材料自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，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、新型压电材料。（1）压电晶体压电晶体中我们常用的是天然的石英晶体，如图3-4-3所示，在实际使用时需要把石英晶体切片封装，如图3-4-4所示。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。石英晶体振荡器（晶振），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。（2）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，如图3-4-7所示，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）。压电陶瓷内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本没变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。（3）新型压电材料新型压电材料一般常用的有两种：一种是压电半导体，一种是高分子压电材料。压电半导体材料有ZnO、CdS（硫化镉）、CdTe（碲化镉）等，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，可检测力和温度等参数。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；不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制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。二、压电式传感器的测量电路1.压电式传感器的等效电路将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，则其电容量Ca为：—压电陶瓷或石英晶体的介电常数A—极板面积d—压电元件厚度。压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路。2.压电元件的连接单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性因素，其连接法分为串联和并联两种。（1）并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。（2）串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。3.压电式传感器测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电荷放大器和电压放大器。（1）电荷放大器并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。（2）电压放大器串联输出型压电元件可以等效为电压源。由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。

三、压电式压力传感器的应用压电式传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传感器就有电荷（或电压）输出。电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。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、重量轻等优点，在诸多行业中得到了广泛的应用，如工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域。认真听教师讲解，有疑问举手提问。随着教师的思路共同分析思考教学反馈及检测【案例分析】压电式传感器检测应用压电式玻璃打碎报警装置，它采用的是高分子压电材料，将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10´20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。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。压电式周界报警系统，将长的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以通过信号处理系统分辨出来。汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充