《物性型传感器》PPT课件

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1、第4章物性型传感器4.1压电式传感器4.2超声波传感器4.3磁敏传感器4.4光电式传感器4.5光纤与激光传感器4.1压电式传感器4.1.1压电效应与压电元件1.压电效应与压电材料当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时，其内部便会产生极化现象，在它们的上、下表面会产生符号相反的等量电荷；当外力的方向改变时，其表面产生的电荷极性也随之改变；当外力消失后又恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。反之，若在电介质的极化方向上施加电场，也将产生机械形变，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。有压电效应的物质很多，但可用的有石英晶体，压电陶瓷，压电薄膜等，其性能见表4-1。表4-1常见的压电材料及性

2、能2.石英晶体的压电效应1）石英晶体切片如图4-1所示，我们用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各方向。其中，纵向轴称为光轴(z轴)；经过棱线并垂直于光轴的称为电轴(x轴)；与光轴、电轴同时垂直的称为机械轴(y轴)。从晶体上切下的一片平行六面体，称为压电晶体切片，如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平行于x轴的称为Y切族。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。在光轴方向受力时不产生压电效应。图4-1石英晶体（a)石英晶体外表；(b)石英

3、晶体切片2）纵向压电效应对X切族的晶体切片，当沿电轴方向有作用力Fx时，在与电轴垂直的平面上产生电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比，可表示为Qxx=d11Fx（4-1）式中，d11称为纵向压电系数［CN-1］，典型值为2.31，双角标第一位表示产生电荷表面所垂直的轴，第二位表示外力平行的轴，x为1，y为2，z为3。图4-2石英晶体切片受力与电荷极性的关系示意图3）横向压电效应如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平面上，其电荷量为（4-2）式中，d12=-d11为横向压电系数;l为压电片的长度;δ为压电片的厚度。由式（4-2）可以看出，横向压电效应与晶片的几何尺

4、寸有关；横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。3.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷属于铁电体物质，是一种人造的多晶体压电材料。它由无数细微的电畴组成。在无外电场时，各电畴杂乱分布，其极化效应相互抵消，因此原始的压电陶瓷不具有压电特性。只有在一定的高温(100～170℃)下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度，当沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q与力F成正比，即Q=d33F（4-3）式中，d33称为纵向压电系数，可达几十至数百。实用的压电陶瓷片的结构形式与压电极性如图4-3所示。三角牌压电陶瓷片的特性见表4-

5、2。图4-3压电陶瓷片表4-2三角牌压电蜂鸣器的特性4.高分子压电材料（PVDF）PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度、声和无损检测等领域。尤其在医学中，由于它与人体声阻抗十分接近，无需阻抗变换，且便于和人体贴紧接触、安全舒适、灵敏度高、频带宽，故广泛用作脉搏计、血压计、起搏计、生理移植和胎心音探测器等传感元件。PVDF有很好的柔性和加工性能，可制成有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适于做大面积的传感阵列器件。PVDF分子结构链中有氟原子，使其化学稳定性和耐疲劳性高、吸湿性低，并具有良好的热稳定性。4.1.2电荷

6、放大器1.压电元件的等效电路和电路符号如图4-4所示，当压电片受力时，在两电极表面出现等量而极性相反的电荷，根据电容器原理，它可等效为一个电容器。当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路；也可等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路。图（d）为压电元件的电路符号。由于材料存在泄漏电阻Ra，压电片的电荷不可能长久保存，只有外力以较高频率不断作用，传感器的电荷才能得以补充。因此，压电式传感器不适用于静态测量，在测量交变信号时，也应该注意其下限频率范围，常用于加速度和动态压力的测量。图4-4压电元件的等效电路(a)原理图；(

7、b)电荷源；(c)电压源；(d)电路符号2.电荷放大器压电式传感器测量电路的关键是高输入阻抗的前置放大器，它有电压放大器和电荷放大器两种形式。考虑到压电片的泄漏电阻Ra、连接电缆的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，其等效电路如图4-5的左半部分所示。由于电压放大器输出电压与电缆分布电容有关，故目前多采用电荷放大器。电荷放大器是一个电容深度负反馈的高增益运算放大器，其原理电路如图4-5所示。图中，Cf