传感器与检测技术精品中职凤凰02 教案项目05 压电式传感器的应用.docx

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1、项目五压电式传感器的应用一、教学目标1.了解压电效应。2.了解压电传感器的所用的压电材料。3.掌握压电传感器的工作原理。4.掌握压电传感器测量振动的方法。二、课时分配本项目共1个任务，本项目安排2课时。其中理论课时2课时，实践课时2课时。三、教学重点通过本项目的学习，让学生能识别压电传感器能根据任务要求，正确安装压电传感器，正确完成压电传感器测量振动的电路接线，并且正确测量振动参数并且读数正确。四、教学难点1.掌握压电传感器的工作原理。2.掌握压电传感器测量振动的方法。五、教学内容任务一压电传感器在振动测量中的应用知识链接一、压电效应当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电

2、效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。能产生压电效应的电解质被称为压电材料或者压电元件，依据压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。原理图如图所示。压电效应原理图在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q和所施的力F之间的关系是：Q=dF式中：d—压电材料的压电系数。正压电效应的应用正压电效应的应用利用逆压电效应原理工作的设备也很多，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会在被按压时发出逼真有趣的蜂鸣声，如果将高频电信号

3、加在压电元件上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号，利用该原理可以制造麦克风、立体声耳机和高频扬声器等，还应用于制造超声波探头。逆压电效应的应用二、压电材料1.石英晶体压电晶体一般指压电单晶体，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。水晶（）是一种有名的压电晶体，它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。石英晶体它是二氧化硅的单晶体。石英等压电单晶压电系数很小（），介电常数很低，但稳定性很高，在20℃～200℃的范围内压电常数的变化率只有-0.000　1/℃，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高

4、温超声换能器等。2.压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的一种多晶压电体。压电陶瓷由无数单晶（电畴）组成，电畴的结构与铁磁材料磁畴结构类似。虽然每个单晶（电畴）都有压电效应，但是组成多晶之后，各单晶（电畴）的压电效应相互抵消，所以原始的压电陶瓷没有压电效应，必须经过极化处理。极化处理就是在一定温度条件下，对压电陶瓷加上强电场，使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。陶瓷极化过程示意图经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差，由于压电陶瓷的制造成本较低，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（PZ

5、T）及非铅系压电陶瓷（如等），如图所示。各类压电陶瓷片3.高分子压电材料高分子压电材料又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料是化学性能稳定的柔性材料，成型性能良好、耐冲击、弹性柔软性好，可制造大面积薄膜。其声阻抗与水接近，能很好地与水介质匹配，可用来制作频率较高的换能器以及宽频带水听器。压电薄膜传感器三、压电式传感器的测量电路1.压电元件的并联与串联制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用，接法分成并联与串联两种。如下图(a)所示，如果将两片压电晶片的负极都集中在中间电极上，正极在上下两面电极上，此种

6、接法称为并联，其输出电容及极板上的电荷分别为单块晶体片的两倍，而输出电压与单片上的电压相等。如下图（b）所示的接法称为串联，中间极板既是上面一片压电晶片的负极，又是下面一片压电晶片的正极，所以正负电荷相互抵消，其输出电荷等于单片晶体上的电荷，输出电压为单片晶片电压的两倍，总电容为单片晶片的1/2。压电元件的并联与串联2.压电传感器的等效电路和测量电路压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用后，就会产生正负等量电荷，所以可以把它看成是一个电荷发生器。又由于压电元件上聚集正负电荷的两个表面，类似于电容器的两个极板，所以压电元件也可看成是一个电容器，其电容量为式中：为真空介电常数；εr为压电材料的相对

7、介电常数；d为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。因此可以把压电元件等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联，如图所示。压电元件电压源与电荷源等效电路压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻，输入电容及压电传感器的内阻Ra。所以压电传感器的实际等效电路如图所示。压电传感器实际等效电路3.压电传感器的等效电路和测量电路由于压电传感器本身的输出阻抗很