传感器原理与检测技术教学课件作者童敏明第12章节压电式传感器课件

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1、第一节压电式传感器的工作原理第二节压电传感器的测量电路第三节压电式传感器的应用第12章压电式传感器学习要求1、掌握压电式传感器的工作原理2、熟悉压电式传感器的常用测量转换电路3、掌握压电式传感器的特点和应用基本要领第一节压电式传感器的工作原理1.1压电效应正压电效应逆压电效应具有压电效应的电介质称为压电材料压电晶体压电陶瓷压电陶瓷高分子压电材料半导体压电材料1.2压电效应表达式压电转换元件坐标表示法1.3石英晶体的压电效应机理（a）不受力时（b）x轴方向受力（c）y轴方向受力1.4压电陶瓷的压电效应机理（a）极化前（b）极化后当在陶瓷上施加外

2、电场时，电畴的极化方向朝着趋向于外电场方向的排列发生转动，使材料得到极化。1.5压电传感器压电式传感器就是利用压电材料的压电效应特性，当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷或电压输出。1．压电元件的基本变形（a）厚度变形（TE）（b）长度变形（LE）（c）体积变形（VE）（d）面切变形（FS）（e）剪切变形（TS）2．压电传感器的预载压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。3．应用技巧由于单片压电元件产生的电荷量非常微小，为了提高传感器的灵敏度，实际应用中常采用两片（

3、或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。（a）并联接法（b）串联接法并联接法:输出电荷大，本身电容大，时间常数大串联接法:输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号1.6压电传感器的特性1．压电传感器的主要特性常用压电材料的性能参数压电材料性能参数石英钛酸钡锆钛酸铅PZT-4锆钛酸铅PZT-5锆钛酸铅PZT-8压电系数（pC/N）d11=2.31d14=0.73d15=260d31=−78d33=190d15≈410d31=−100d33=230d15≈670d31=−185d33=600d15=330d31=−90d33=200相对介

4、电常数（εr）4.51200105021001000居里点温度（℃）573115310260300密度（103kg/m3）2.655.57.457.57.45弹性模量（109N/m2）8011083.3117123机械品质因数105~106≥50080≥800最大安全应力（105N/m2）95~10081767683体积电阻率（Ω·m）>10121010（25℃）>10101011（25℃）最高允许温度（℃）55080250250最高允许湿度（%）100100100100（1）压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输

5、出灵敏度。、分别为相对介电常数和真空的介电常数（2）弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关（4）机械耦合系数：在压电效应中转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根（5）电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。2．不同材料压电传感器应用特点（1）石英晶体优点:它的介电和压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度范围很宽的传感器。（2）铌酸锂晶体铌

6、酸锂晶体是人工拉制的，像石英那样也是单晶体，时间稳定性远比多晶体的压电陶瓷好，居里点高达1200℃，适宜做高温传感器。（3）压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）（4）压电陶瓷-高聚物复合材料无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两者都没有的特性（5）压电半导体硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化稼（GaAs）第二节压电传感器的测量电路2.1压电传感器的等效电路（a）电压源（b）电荷源（a）电压源（b）电荷源压电传感器与测

7、量仪器或测量电路相连接时，需考虑连接电缆的等效电容、放大器的输入电阻、输入电容以及压电传感器的泄漏电阻。2.2压电传感器的测量电路1．电压放大器电压放大器电路原理及其等效电路图2．电荷放大器电荷放大器由一个反馈电容和高增益运算放大器构成，常作为压电传感器的输入电路。电荷放大器的输出电压：当满足第三节压电式传感器的应用1．压电式加速度传感器优点：传感器量程大、频带宽、体积小、重量轻、各种恶劣环境应用范围：航空、航天、兵器、造船、纺织、车辆、电气等各系统的振动、冲击测试、信号分析组成部分：压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等2．大型设备设施的

8、振动监测汽轮机、发电机还是风机、球磨机等，均可采用压电式加速度传感器配以振动仪表监测系统，以发现机组运行中的异常振动在大型客运飞机上，为保证飞行安全，也装有压电式加