第5章 压电式传感器ppt课件.ppt

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1、传感器原理及工程应用第5章压电式传感器第5章压电式传感器本章基本要求：了解：常用压电材料的类型和特性参数、压电式传感器的应用；理解：压电传感器被测参数特点；重点掌握：压电式传感器的工作原理、信号测量电路。第5章压电式传感器敏感元件：压电元件参数变化过程：非电量－>压电效应－>表面电荷实现功能：机械能量－>电能量转换测量参数：动态力压力、机械冲击、振动、加速度优点：体积小、重量轻、工作频带宽第5章压电式传感器5.1压电传感器工作原理5.2压电式传感器测量电路5.3压电式传感器的应用5.4超声波传感器5.1压电传感器工作原理压电效应：某些电介质，当沿着

2、一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在某些电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形。压电材料功能：实现机<＝>电能量的相互转换5.1压电传感器工作原理压电材料种类：a、石英晶体b、压电陶瓷5.1压电传感器工作原理天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体，纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。5.1压电传感器工作原理纵向压电效应：沿电轴x方向横向压电效应：沿机械轴

3、y方向式中,d11为x方向压电系数d12为y方向压电系数，d12＝－d11电荷与切片尺寸无关电荷与切片尺寸有关5.1压电传感器工作原理压电材料特征参数：①压电常数:压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。②弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。③介电常数:压电元件固有电容与介电常数有关；而电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数：压电效应中，衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，改善低频特性。⑥居里点温度:压电材料开始丧失压电特性的温度。常用压电材料性

4、能参数5.1压电传感器工作原理外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。5.1压电传感器工作原理接法：a、并联接法b、串连接法场合：测量缓变信号，电荷输出输出电压大，测量电路输入阻抗

5、高5.1.2压电式传感器等效电路压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时，它也是一个电容器等效电路：a、电压等效电路b、电荷等效电路5.1.2压电式传感器等效电路实际等效电路：a、电压等效电路b、电荷等效电路5.1.2压电式传感器等效电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。放大电路作用：a、把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗b、放大传感器输出的微弱信号压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。5.2压电式传感器的测量电路1.电压放

6、大器（阻抗变换器）等效阻抗：5.2压电式传感器的测量电路压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用产生电荷：对应电流：电流复数形式：输出电压：5.2压电式传感器的测量电路电压输出幅值：电压输出相位差：理想情况下，Ra与Ri都为无限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1电压输出幅值：5.2压电式传感器的测量电路实际输出电压与理想输出电压之比：令：则:5.2压电式传感器的测量电路结论：当作用在压电元件上的力是静态力时，则前置放大器输出电压为0，说明压电传感器不能测量静态量。当时，，输出电压与作用力频率无关，被测力的频率越高，越能满足上述条件，越接近理想输出

7、电压。说明压电传感器有良好的高频响应特性。对于缓慢变化的动态量，必须尽可能的提高回路时间常数，即要求放大器的输入电阻越大，传感器的低频特性越好。5.2压电式传感器的测量电路2.电荷放大器当满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时：5.3压电式传感器的应用5.3.1压电式测力传感器组成：由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座应用场合：传感器的测力范围为0~5000N，最小分辨率为0.001N，固有频率为50~60kHz，整个传感器重为10g。5.3压电式传感器的应用5.3.2压电式加速度传感器组成：压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳电荷灵敏度：电压

8、灵敏度：灵敏度与压电系数成正比灵敏度与质量快成正比5.3压电式传感器的应用5.3.3压电式玻璃破碎报警器文物防盗、博物馆防