压电式压力传感器.ppt

3.3 压电式传感器,压电?,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。 可测量能变换为力的各种物理量。,压电传感器振动分析动画演示,本节学习要点： 1、知道压电式传感器的工作原理； 2、压电式传感器所用压电材料、压电元件结构； 3、压电传感器常用应用电路。,一、应用背景介绍,压电式传感器机电转换元件,适用于：动态力学的测量,超声波换能器 水声换能器 拾音器 。,1压电效应 ( 正压电效应 ）,电介质在沿一定方向上受到外力,产生变形,外力去掉，回到不带电状态,内部产生极化现象，表面产生电荷,压电效应动画演示,二、压电式传感器的工作原理,未极化前：不具压电性,撤销外电场,极化现象的理解：,压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷 ；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。,2. 逆压电效应,极化方向上施加交变电场,产生机械变形,去外加电场，变形消失,逆压电效应动画演示,（1）压电晶体,石英晶体外形图,压电晶体是一种单晶体。,例如： 石英晶体； 酒石酸钾钠等,三、压电材料,1、常见压电材料,天然形成的石英晶体外形图,（2）压电陶瓷,压电陶瓷是一种人工制造的多晶体。 例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等,压电陶瓷外形图,高分子压电材料外形图,（3）有机压电材料,有机压电材料属于新一代的压电材料。 主要有压电半导体和高分子压电材料。,2、压电材料的主要特性指标,压电效应强弱：灵敏度,固有频率、动态特性,固有电容、频率下限,机电转换效率,泄漏电荷、改善低频特性,丧失压电性的温度,选择压电材料的原则,具有较大的压电常数 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。 具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。 具有较高的居里点。（压电性能破坏时的温度转变点） 压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。,1、压电元件常用连接形式,四、压电式传感器的测量电路,在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。 由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。,(a),(b),（1）并联：,（2）串联：,压电式传感器的等效电路：压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面聚集电荷，电荷 量相等，极性相反，相当于一个以压电材料 为电介质的电容器。其电容量为：C0=0 A/d,电荷源,电压源,2、压电式传感器的等效电路,五、压电式传感器的应用,压电式力传感器 压电式压力传感器 压电式加速度传感器 。,实例1：火炮堂内压力测试,发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。,事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体,实例2：