传感器课件第3讲 压电式传感器

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1、传感器原理及应用主讲人：康朝海第2章压电式传感器传感器原理及应用第2章压电式传感器主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号2.1压电效应某些电解质（晶体）：当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。传感原理及应用压电元件机械能电能正、负压电效应传感器原理及应用压电晶片人工合成水晶2.2压电材料按特定方向切片ZXY(a)(b)石英晶体(a

2、)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX(a)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZXY(b)ZYX2.2.1压电晶体传感器原理及应用硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)++---YXXY+Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－电偶极矩分析石英晶体的上述特征与

3、内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:σ1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:σ2为Y方向应力压电系数d11=d12为常数a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)关系式对压电材料特性要求：①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的

4、线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。2.2.2压电陶瓷压电陶瓷谐波器超声波医学压电陶瓷晶片压电陶瓷蜂鸣器打火用压电陶瓷2.2.2压电陶瓷聚偏氟乙烯压电材料聚偏氟乙烯压电效应2.3压电元件结构形式2.3压电元件结构形式+_U’_++++++++++++___________++++++++++++____________电路串联+_+_U’电路并联+++++++++++___________

5、____________+++++++++++2.4等效电路与测量电路2.4.1压电传感器等效电路压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。等效电容2.4.1压电传感器等效电路电压灵敏度电荷灵敏度它们之间的关系等效电压源等效电流源压电传感器的测量电路前置放大器的作用：（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器1、电压放大器前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：前置放大器输入端电压：时间常数输入电压与作用力间的相位差：时间常数讨论：适合测量高频交变力由运算放大器构成的电压比例放大器2、电荷放大器灵敏度与电缆电容无关上限下限2.4.

6、2测量电路（2）电荷放大器可见：电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。2．5压电传感器的应用压电式压力传感器压电式加速度传感器基座壳体弹簧质量块压电片F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。压电式流量计流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低

7、压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管