传感器原理与检测技术 教学课件 作者 钱显毅 第5章.ppt

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1、第5章　压电式传感器5.1　压电效应5.1.1　石英晶体的压电效应5.1.2　压电陶瓷的压电效应5.2　压电材料5.2.1　石英晶体5.2.2　压电陶瓷5.3　压电式传感器的等效电路和测量电路5.3.1　等效电路5.3.2　测量电路5.4　压电式传感器的应用5.4.1　压电式加速度传感器5.4.2　压电式压力传感器第5章　压电式传感器5.4.3　压电式流量计5.1　压电效应5.1.1　石英晶体的压电效应5.1.2　压电陶瓷的压电效应5.1.1　石英晶体的压电效应1)无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性关系。2

2、)晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。3)石英晶体不是在任何方向都存在压电效应。5.1.1　石英晶体的压电效应图5-1　石英晶体a)理想石英晶体的外形　b)坐标系5.1.1　石英晶体的压电效应图5-2　硅氧离子的排列示意图a)硅氧离子在Z平面上的投影b)等效为正六边形排列的投影5.1.1　石英晶体的压电效应图5-3　石英晶体的压电机构示意图a)=0　b)<0　c)>05.1.1　石英晶体的压电效应图5-4　石英晶体切片5.1.1　石英晶体的压电效应图5-5　晶片上电荷极性与受力方向的关系5.1.2　压电陶瓷的压

3、电效应图5-6　压电陶瓷中的电畴变化示意图a)极化处理前　b)极化处理过程中　c)极化处理后5.1.2　压电陶瓷的压电效应图5-7　陶瓷片内束缚电荷与电极上5.1.2　压电陶瓷的压电效应图5-8　正压电效应示意图5.1.2　压电陶瓷的压电效应图5-9　逆压电效应示意图注：实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况。5.2　压电材料5.2.1　石英晶体5.2.2　压电陶瓷5.2.1　石英晶体图5-10　石英晶体的系数相对于5.2.1　石英晶体图5-11　石英晶体在高温下相对介5.2.2　压电陶瓷1.钛酸钡压电陶瓷2.锆钛酸铅系压电陶瓷1.钛酸

4、钡压电陶瓷钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔比混合后充分研磨成形，经高温1300～1400℃烧结，然后再经人工极化处理得到的压电陶瓷。这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数(约为石英晶体的50倍)，但不足之处是居里温度低(120℃)，温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2.锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)是组成的固体。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在钴钛酸中添加一种或两种其他微量元素(如铌、锑、锡、钨等)还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是

5、目前压电式传感器中最广泛应用的压电材料。5.3　压电式传感器的等效电路和测量电路5.3.1　等效电路5.3.2　测量电路5.3.1　等效电路图5-12　压电式传感器的等效原理图5.3.1　等效电路图5-13　压电式传感器的等效电路a)电压等效电路　b)电荷等效电路5.3.1　等效电路图5-14　压电式传感器的完整等效电路图5-16中，为传感器的电容；为前置放大器的输入电容；为连接导线对地电容；为包括连接导线在内的传感器绝缘电阻；为前置放大器的输入电阻。5.3.2　测量电路1.电压放大器2.电荷放大器1.电压放大器图5-15　压电式传

6、感器连接电压放大器的等效电路1.电压放大器图5-16　阻抗变换电路2.电荷放大器图5-17　电荷放大器的原理电路2.电荷放大器图5-18　压电式传感器接至电荷放大器的等效电路5.4　压电式传感器的应用5.4.1　压电式加速度传感器5.4.2　压电式压力传感器5.4.3　压电式流量计5.4.1　压电式加速度传感器1.结构原理2.动态响应1.结构原理图5-19　纵向效应型加速度传感器的截面图1—电极　2—质量块　3—螺母4—压电陶瓷　5—传感器基座1.结构原理图5-20　层叠式压电元件的并联和串联a)并联　b)串联2.动态响应图5-21　二阶模拟

7、系统2.动态响应图5-22　压电式加速度传感器的频率响应特性5.4.2　压电式压力传感器图5-23　压电式压力传感器的原理图1—引线　2—壳体　3—基座4—压电晶片　5—受压膜片6—导电片5.4.3　压电式流量计图5-24　压电式流量计