检测10压电式传感器

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1、Cha.10压电式传感器工作原理：被测力及其相关物理量（加速度、振动等）-----电荷-电压（流）电介质或半导体压电效应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。特点：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。一、压电效应某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个

2、相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”——机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变为机械能。具有压电效应的物质称为压电材料。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性石英晶体的正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；而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。石英晶体压电方程为：压电常数矩

3、阵由于材料的各向异性，压电方程的矩阵表示二、压电材料压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵;酒石酸二钾、硫酸锤等);多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中。可以把它用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴z称为光轴；通过六棱线而垂直于光铀的x铀称为电轴；与x轴和z轴垂直的y轴(垂直于六棱柱体的棱面)，称为机械轴。天然形成的石英晶体外形1、石英晶体石英晶体切片及封装双面镀银并封装石英晶体振荡

4、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2、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）。压电陶瓷外形3、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形状。它不易破碎，具有防水性，可以大

5、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。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）三、压电传感器的等效电路和测量电路1、等效电路压电传感器的基片结构如图(a)，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。压电传感器可等效为与电容串联的电压源；等效为一个与电容

6、并联电荷源。2、测量电路及系统等效电路分析a）.完整的系统等效电路压电元件是一种换能器件，属有源传感器，它在系统中有两种等效形式：⑴电压源U，与其等效电容Ce串联；⑵电荷源q，与其等效电容Ce并联。b).测量电路（变换电路、前置电路）前置放大电路的必要性：①高内阻，须作阻抗变换。②输出功率小，分布参数及干扰影响大。可以用电压、电荷放大器作为前置变换电路：从电压源U等效的观点看可以使用电压放大器；从电荷源q等效的观点看可以使用电荷放大器。(1)、电压放大器(阻抗变换器)根据系统等效电路的简化电路有：当压电元件为压电陶瓷、施加的外力为交变力：元件输出：R和C

7、的并联阻抗：～～(2)电荷放大器（电荷源等效）用电压放大器作为前置变换电路使得输出Ui不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。①基本电路（A无限大、Ri无限大的理想放大器）分压②系统的实际等效电路分析（A有限大、C=Cc+Ce+Ci）A为运放的开环增益，一般为104～106。结果与C无关。电荷放大器外形压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。四、压电传感器的应用1、压

8、电陶瓷传感器的应用压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量压电式动态力