6-1压电传感器的工作原理及测量转换电路

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1、本章学习压电传感器的原理、应用及振动频谱分析。第六章压电传感器7/23/20211第一节压电传感器的工作原理压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。7/23/20212一、压电效应天然结构的石英晶体

2、呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。7/23/20213石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。7/23/20214二、压电材料

3、的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。7/23/20215（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形7/23/20216天然形成的石英晶体外形（续）7/23/20217石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装7/23/20218石英晶体振荡器（晶振）石英晶体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。晶振7/23/20219（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的

4、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）。7/23/202110压电陶瓷外形7/23/202111无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）7/23/202112高分子压电薄膜及拉制7/23/202113（三）高分子压电材料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

5、形状。它不易破碎，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。7/23/202114高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆7/23/202115可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板7/23/202116压电式脚踏报警器7/23/202117高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）7/23/202118第二节压电传感器的测量转换电路电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U

6、转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。7/23/202119四通道电荷放大器外形.7/23/202120上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）灵敏度：0.1～1000mV/pC频率范围：0.3～100KHz噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV准确度：1%       最大输出：±10V/10mA电    源：220V/50Hz控制方式： 计算机或手动焊接式电荷放大器7/23/202121超小型电荷放大器模块主要指标:灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)     

7、  频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)       噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归一化：外接电阻调整       线性误差：1%       最大输出：±5V或±10V电    源：±6V～±15V特点：可组成经济的多点测试系统7/23/202122其他电荷放大器外形面板式电荷放大器7/23/202123其他电荷放大器外形（续）7/23/202124本章作业p108：2、3、57/23/202125休息一下7/23/202126