传感器课件第3讲 压电式传感器

1、传感器原理及应用,主讲人：康朝海,第2章 压电式传感器,传感器原理及应用,第2章 压电式传感器,主要内容 1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用,概述,2.1 压电效应,某些电解质（晶体）： 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。,传感原理及应用,压电元件,机械能,电能,正、负压电效应,传感器原理及应用,压 电 晶 片,人 工 合 成 水 晶,2.2 压电材料,按特定方向切片,2.2.1压电晶体,传感器原

2、理及应用,硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影,电偶极矩分析,石英晶体的上述特征与内部分子结构有关： 当晶体不受力时f=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶 极矩， 晶体呈中性； 当晶体受沿x轴方向的应力时，x方向压缩形变，电偶极矩 在x轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿y轴方向的应力时，y方向压缩形变，电偶极矩 在x轴的正方向出现负电荷；,压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数 在x轴方向施力时,产生电荷大小为: 1为x方向应力 在y轴方向施力时,产生电荷大小为: 2为y方向应力 压电系数 d11=d12 为常数 a 、b是晶

3、体切片几何尺寸(长、厚),关系式,对压电材料特性要求：,转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,2.2.2 压电陶瓷,压电陶瓷谐波器,超声波医学压电陶瓷晶片,压 电 陶 瓷 蜂鸣器,打火用压电陶瓷,2.2.2 压电陶瓷,聚偏氟乙烯压电材料,聚偏氟乙烯压电效应,2.3 压电元件结构形式,2.3

4、压电元件结构形式,2.4 等效电路与测量电路 2.4.1 压电传感器等效电路,2.4.1 压电传感器等效电路,电压灵敏度 电荷灵敏度 它们之间的关系,压电传感器的测量电路,前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗转换,1、电压放大器,前置放大器输入端电压幅值：,输入电压与作用力间的相位差：,前置放大器输入端电压：,时间常数,输入电压与作用力间的相位差：,时间常数,讨论：,适合测量高频交变力,由运算放大器构成的电压比例放大器,2、电荷放大器,2.4.2 测量电路（2）电荷放大器,可见： 电荷放大器中，输出电压与电缆电容cc无关，与q成正比，与cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。 缺点是电路复

5、杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。,25 压电传感器的应用,压电式压力传感器,压电式加速度传感器,壳体,弹簧,质量块,压电片,f=ma,fa 又qf qa,1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,压电式流量计,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况,利用超声波

6、在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,水深测量仪,25 压电传感器的应用,晶体管声、光控开关电路,25 压电传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷q ，在两个输

7、出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,汽车安全气囊系统,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,交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,本章小结,压电效应 、压电材料以及压电元件 结构形式 ； 压电传感