第五章 压电式传感器

nullnull本章主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 5.1 压电效应 5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体 5.2.2 压电陶瓷 5.3 压电传感器测量电路 5.3.1 等效电路 5.3.2 电压放大器 5.3.3 电荷放大器 5.3压电式传感器的应用 目录null掌握正、逆压电效应 了解常用的压电材料 了解压电效应的产生机理 掌握压电式传感器的测量电路——电压放大器和电荷放大器 了解压电式传感器的应用本章主要内容5.1 压电效应 5.1 压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应演示5.2.1 石英晶体5.2.1 石英晶体天然形成的石英晶体外形5.2 压电材料石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装null（1） 石英晶体工作原理 石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。图6- 2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。 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 轴称为电轴, 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 方向受力时不产生压电效应。  X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴； Z轴：光轴或3轴。null（2）石英晶体的压电方程（2）石英晶体的压电方程各向异性的石英晶片，单一压电效应： 式中：i—电效应（场强，极化）方向的下标，i=1，2，3； j—力方向（应力，应变）方向的坐标，j=1，2，···6； Tj—j方向的外施力分量（Pa）； —j方向的应力在i方向的极化强度（或i表面上的电荷密度）（C/ )； —j方向的应力引起i表面产生电荷时的压电常数 推广： （i=1，2，3） null（3） 石英晶体产生压电效应的机理初始状态：因为P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。 此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。null 当受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3）x> 0 。 在x轴正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零。 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P1增大, P2、P3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向上不出现电荷。  如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。  当作用力fx、fy的方向相反时, 电荷的极性也随之改变。优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 5.2.2 压电陶瓷无铅压电陶瓷及其换能器外形null（1） 压电陶瓷压电原理 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料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, 压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质；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, 使材料得到极化。null压电陶瓷电荷量的大小与外力成正比关系:  q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数;  F——作用力。特点： 压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 如钛酸钡（BaTiO3）的压电系数约为石英的50倍,。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi）O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。5.3 压电式传感器测量电路5.3 压电式传感器测量电路5.3.1 压电式传感器的等效电路 (a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 nullnullCa：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容 5.3.2电压放大器null前置放大器输入电压 压电元件的力 F=Fmsinωt 压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11·F。输入电压的幅值 结论： 不能测量静态物理量。 压电传感器有很好的高频响应； 提高测量回路的电阻扩大低频响应范围null5.3.3 电荷放大器 K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相， 若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。 null充电电压接近等于放大器的输出电压 结论： 1、输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，与放大器的放大系数的变化或电缆电容等无关； 2、保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压； 3、反馈电容Cf小，输出就大； 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。 5、输出电压与电缆电容无关条件： （1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）5.4 压电式传感器的应用 5.4 压电式传感器的应用 一、 压电式测力传感器 下图是压电式单向测力传感器的结构图, 由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 null二、 压电式加速度传感器 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。 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, 并用螺栓加以固定。 null三、 压电式金属加工切削力测量 下图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 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, 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 下电信号的变化便测得切削力的变化。 null 四、压电式玻璃破碎报警器 BS—D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器, 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出 输出电压经放大、 滤波、 比较等处理后提供给报警系统。 