传感器技术 第6讲 压电磁敏传感器课件.ppt

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1、6.1.1压电效应和压电材料1、正压电效应某些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。这一现象称为“正压电效应”。6.1压电式传感器2、逆压电效应当在电介质的极化方向施加电场，电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”。3、压电材料可分为压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。压电晶体是一种天然单晶体，例如石英晶体、酒石酸钾钠等；压电陶瓷是一种人工合成的多晶体，例如钛酸钡、锆钛酸铅等；有机压电材料是近些年来研制成的有机

2、高分子聚合材料。压电材料的主要特性参数以下几种：压电常数、弹性常数、介电常数、机械耦合系数、电阻、居里点。4、石英晶体石英晶体是单晶体，有电轴x、机械轴y、光轴z轴。沿z轴方向受力不会产生压电效应。从晶体上沿y轴方向切下一块晶体，晶体上产生电荷的极性与受力的方向有关。若在x轴方向施加作用力，则在加压的两表面上分别出现正、负电荷。若在y轴上施加压力时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直于x轴的表面上，只是电荷的极性相反。5、压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料。原始的压电陶瓷不具有压电性质。当在

3、陶瓷上施加外电场时，材料整体得到极化。外电场越强，极化程度越高，让外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度，这时的材料就具有了压电特性。压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多，因此用它制成的传感器灵敏度较高，但稳定性、机械强度等不如石英晶体。压电陶瓷材料有多种，最早的是钛酸钡（BaTiO3），现在最常用的是锆钛酸铅（PbZrO3-PbTiO3），简称PZT等。6.1.2压电式传感器及测量电路1、压电式传感器压电传感器中的压电元件无论是石英晶体还是压电陶瓷，它的内阻都很高，而输出的信号很微弱。其元件可等效为一个电容器Ca，正、负电

4、荷积聚的两个表面相当于电容器的两个极板，板间的物质相当于一种介质。在实际使用中，压电式传感器总是与测量仪器或测量电路相连接，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如下图所示。图1压电传感器的实际等效电路2、测量电路电荷放大器Ci为传感器、连接电缆、放大器的输入等效电容合并的电容，Cf为放大器的反馈电容，Rf的作用是稳定直流工作点，减小零点漂移，一般取Rf≥10。由于放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，输出电压为上式表明：（1）放大器的输出电压接近于反馈电容两端的电压。电荷Q只对反馈电容充电。（2）电荷放大器的输出电

5、压与电缆电容无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于Q与被测压力成线性关系，所以，输出电压也与被测压力成线性关系。电压放大器如果压电元件受到交变力f=Fmsint的作用，则其产生的电压为所以适合于动态测量。为了提高灵敏度，在使用中常把几片同型号的压电元件粘结在一起，两个压电元件的组合形式有①并联接法，电容量也增加一倍，输出电压与单个压电元件相同。②串接形式，其输出的电荷量与单个压电元件的相同，输出电压增大增大一倍。6.1.3压电式传感器的应用1压电式测力传感器组成：主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成

6、。2、原理传感器的上盖为传力元件，当受到外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应实现力—电转换。绝缘套用于绝缘和定位。它的测力范围是0～50N，最小分辨率为0.01N，绝缘阻抗为，固有频率为50～60kHz。非线性误差小于±1%。整个该传感器重为10g，可用于机床动态切削力的测量。6.1.3压电式加速度传感器1、组成主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。压电元件一般由两片压电片组成，在两个压电片的表面镀上一层银，并在银层上焊接输出引线，在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后

7、对质量块预加载荷。2、原理测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力为传感器输出的电荷与作用力成正比，即3压电式金属加工切削力测量利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切削力的示意图适合测量变化剧烈的载荷。图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。4构成报警器电路利用压电传感器对

8、敲击、振动敏感的特性，可以制成报警器电路，玻璃防冲击报警器电路原理方框图。图中压电元件用来感知玻璃受到撞击时产生的振动波，传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警使用时，将传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路连接。图2压电式玻璃破碎报警器电路框图6.2霍尔式传