最新第6章 压电式和压磁式传感器PPT课件.ppt

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1、第6章压电式和压磁式传感器逆压电效应在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场电介质产生变形应力)常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。1.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返

2、回石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。上一页下一页返回2.压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化上一页下一页返回陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶

3、瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。上一页下一页返回压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系上一页下一页返回Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数；F——作用力。常见压电陶瓷：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数和介电

4、常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。上一页下一页返回6.2等效电路及信号变换电路1.压电元件的等效电路2.压电式传感器的信号调节电路上一页下一页返回1.压电元件的等效电路上一页下

5、一页返回压电式传感器的等效电路(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路上一页下一页返回两个压电片的联结方式（a）“并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b）“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。上一页下一页返回2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载

6、电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返回压电传感器的工作原理演示压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质（例如石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终

7、能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比。当施加的是正向压力时（图中从上到下的力），上下表面产生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹，产生上负下正的电荷。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，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。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。图中当力恒定地施加在压电材料上时，电荷逐渐消失

8、，这表示明压电材料不能用于测量物体重量之类的物理量。（1）电压放大器Ca：传感器的电容Ra：传感器的漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容上一页下一页返回前置放大器输入电压压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11·F。输入电压的幅值当作用力是静态力（ω=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物