第7章压电式传感器

《第7章压电式传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第7章压电式传感器第7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.压电传感器的应用第7章压电式传感器概述压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。第7章压电式传感器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第7章压电式传感器6.1压电效应某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加

2、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。第7章压电式传感器6.1压电效应压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能——转化成电能也可以将电能——转化成机械能。压电元件机械能电能第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压

3、电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。外形结构第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体压电晶片按特定方向切片人工合成水晶第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体压电元件受力后,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)第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体石英晶体压电模型第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英

4、晶体动画演示石英晶体压电模型动画演示第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：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；第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.1石英晶体石英晶体的主要性能参数第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材

5、料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）晶体极

6、化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：电荷密度：d33——压电陶瓷的纵向压电常数，d33比d11、d12大的多，所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高第7章压电式传感器6.2压电材料6.2.3聚偏氟乙烯压电材料聚偏氟乙烯压电效应第7章压电式传感器6.3压电元件结构形式在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：+_U’_++++++++++++___

7、________++++++++++++____________电路串联+_+_U’电路并联+++++++++++_______________________+++++++++++第7章压电式传感器6.4等效电路与测量电路6.4.1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。等效电容第7章压电式传感器6.4等效电路与测量电路6.4.1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第7章压电式传感器6.4等效电路与测量电路6.4.1

8、压电传感器测量电路前置电路有两个作用，一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；根据等效电路压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器电荷放大器第7章压电式传感器6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路（1）电压放大器电压放大器等效电路示意图第7章压电式传感器6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路（1）电压放大器（阻抗变