【大学课件】常用的传感器.ppt

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1、本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器工作原理原理3.了解传感器的选用原则第三章常用的传感器物理量电量3.7压电式传感器压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，已被广泛应用于超声，通信，宇航，雷达和引爆等领域。压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为与力相关的物理量，例如

2、力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。3.7.1压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作

3、用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称之为压电材料，石英是一种常用的压电材料。（一）石英晶体的压电效应石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分天然结构石英晶

4、体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。实验证明：压电体表面集聚的电荷与作

5、用力成正比。若沿单一晶轴x－x方向加力F，则在垂直于x－x方向的压电体表面上积聚的电荷量为：FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX3.7.2压电材料压电材料的主要特征参数：1，压电常数2，弹性常数3，介电常数4，机电耦合系数5，电阻6，居里点迄今出现的压电材料压电晶体（单晶）压电陶瓷（多晶半导体）新型压电材料（

6、有机压电薄膜）石英比较常用，其主要性能特点：1.压电常数小，时间和温度稳定；2.机械强度和品质因素高，刚度大，固有频率高，动态性好；3.居里点573摄氏度，无热释电性，绝缘性和重复性佳．压电陶瓷特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟；成型工艺性好，成本低廉；热电释性。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷。压电半导体硫化锌，碲化镉，氧化锌，硫化镉等有机高分子压电材料某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜。高分子化合物中参杂压电陶瓷PZT或钛酸钡粉末制成的高分子压电薄膜高分子压电薄

7、膜的压电特性并不太好，但其可以大量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点。3.7.3压电式传感器及其等效电路在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，形成了电场。压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器压电器件从性质上讲，是一个有源电容器+串联+并联F+q=DF根据电荷平衡建立的方程为：忽略过渡过程，其稳态解：电容上的电压值：表明压电元件的电压输出还受回路的时间常数R0C的影响。压电式

8、传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。3.7.4压电式传感器及其等效电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiC