传感器与检测技术 教学课件 作者 朱自勤 主编 第4章完　物性型传感器.ppt

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1、传感器与检测技术主编朱自勤第4章　物性型传感器4.1　压电式传感器4.1.1　压电效应4.1.2　压电材料4.1.3　压电式传感器的等效电路4.1.4　压电式传感器的测量电路4.1.5　压电式测力传感器4.2　超声波传感器4.2.1　超声波传感器的传输特性4.2.2　超声波传感器4.3　磁电式传感器4.3.1　磁电感应式传感器第4章　物性型传感器4.3.2　霍尔式传感器4.4　光电式传感器4.4.1　光电器件及特征4.4.2　光纤传感器4.4.3　光栅式传感器4.4.4　激光式传感器4.4.5　电荷耦合器件4.5　核辐射传感器4.5.1　放射源和探测器4

2、.5.2　核辐射传感器的应用4.1.1　压电效应图4-1　石英晶体a)天然结构的石英晶体外形　b)晶体切片　c)晶片结构a—晶体切片长度　b—晶体切片厚度　c—晶体切片高度　x—电轴　y—机械轴　z—光轴4.1　压电式传感器4.1.1　压电效应图4-2　石英晶体压电模型a)不受力　b)x轴方向受力　c)y轴方向受力4.1.2　压电材料1.压电晶体2.压电陶瓷　压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。3.压电半导体：近年来出现了多种压电半导体，如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)和硫化镉(CdS)等，这些压电材料的显著特点是既具有压电效应，

3、又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。1.压电晶体(1)石英晶体：石英晶体即二氧化硅(SiO2)，有天然石英晶体和人工石英晶体两种。(2)水溶性压电晶体：最早发现的是酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O)，它有很大的压电灵敏度和高的介电常数，压电系数d11=3×10-9C/N，但是酒石酸钾钠易于受潮，它的机械强度低，电阻率也低，因此只限于在室温和湿度低的环境下使用。(3)铌酸锂晶体：1965年通过人工掉拉法制成铌酸锂大晶块，铌酸锂(LiNbO2)压电晶体和石英相同，也是一种单晶体，为无色或浅黄色。2.

4、压电陶瓷　压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。(1)钛酸钡压电陶瓷：最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)，由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成。(2)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT系列)：目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列)，它是钛酸钡(BaTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的Pb(ZrTi)O3，有较高的压电系数和较高的工作温度。(3)铌酸盐系列压电陶瓷：铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。3.压电半导体：近年来出现了多种压电半导体，如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)和硫化镉(CdS)等，这

5、些压电材料的显著特点是既具有压电效应，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。4.1.3　压电式传感器的等效电路4.1.3　压电式传感器的等效电路图4-3　压电传感器的等效电路a)电压源　b)电荷源4.1.4　压电式传感器的测量电路图4-4　电荷放大器等效电路4.1.4　压电式传感器的测量电路4.1.5　压电式测力传感器1.压电式单向测力传感器　结构如图4-5所示，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。2.压电式加速度传感器　结构如图4-6所示，主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成

6、，整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。3.压电式金属加工切削力测量　图4-7是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。1.压电式单向测力传感器结构如图4-5所示，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。图4-5　压力单向测力传感器结构图1—绝缘套　2—石英晶片3—上盖　4—基座　5—电极2.压电式加速度传感器构如图4-6所示，主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。图4-6　压电式加速度传感器结构图3.压电式金属加工切削力测量图4-7是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。图4-7　压电

7、式刀具切削力测量示意图4.2　超声波传感器图4-8　声波的频率界限图4.2.1　超声波传感器的传输特性1.超声波的波形及其转换　由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，则声波的波形也不同，通常有纵波、横波和表面波等三种类型。2.超声波的反射和折射　声波从一种介质传播到另一种介质时，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分声波则透射过界面，在另一种介质内部继续传播，这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图4-9所示。3.超声波的衰减1.超声波的波形及其转换由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，则声波的波形也不同，通常有纵波

8、、横波和表面波等三种类型。1)纵波是质点振动方向与波的传播方向一致的波，能在固体