压电式传感器工作原理是基于某些介质材料石英晶体和压PPT学习教案

1、会计学1 压电式传感器工作原理是基于某些介质压电式传感器工作原理是基于某些介质 材料石英晶体和压材料石英晶体和压 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生 变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应电致伸缩效应 ）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称 为压电材料, 压电材料能实现机电能量的相互转换 。 _ y 逆压电效应 压电效应 + 第1页/共34页 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十 分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛 酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 第2页/共34页 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。 压电材料的

2、主要特性参数有: （1） 压电常数:压电常数是衡量材料压电效 应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度 。 （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。 第3页/共34页 （3） 介电常数：对于一定形状、 尺寸的压电 元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容 又影响着压电传感器的频率下限。 （4） 机械耦合系数：在压电效应中, 其值等于 转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机 械能）之比的平方根; 它是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, 从 而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点

3、：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。 第4页/共34页 力与电荷的关系力与电荷的关系 若从晶体上沿 y 方向切下一 块如图 所示晶片, 当在电轴方向施 加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平 面上将产生电荷, 其大小为 qx = d11 fx 式中: d11x方向受力的压电系数; fx作用力 产生的电荷与几何尺寸无关。纵向 压电效应。 第5页/共34页 沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平 面上产生电荷qx ,其大小为 yyx F h l dF h l dq 1112 式中: d12y轴方向受力的压电系数, d12=d11; l、 h晶体切片长度和厚度。 产生的电荷与几

4、何尺寸有关。产生的电荷与几何尺寸有关。 压电效应为横向压电效应。压电效应为横向压电效应。 第6页/共34页 压电效应的物理解释压电效应的物理解释 石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子, 6个氧离 子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形 。垂直于X轴端面有无数个此分子结构。 第7页/共34页 （1）未受外力作用时, 正、 负离子正好分布在正六 边形的顶角上, 形成三个 互成120夹角的电偶极 矩P1、 P2、P3。 如图 a 所示。 P1+ P2+P3=0。正负电荷 中心重合，晶体垂直X轴 表面不产生电荷。呈中 性。 第8页/共34页 （2）受x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产

5、生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。如图 （b）所示, 此时正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3） 0 。 在x轴的正方向出现负电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 第9页/共34页 （3）受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图（c）所示， P1增大, P2、P3 减小。 在垂直于x轴正方向出现正电荷, 在y轴方向上不出现电荷。 第10页/共34页 多晶体的压电特性多晶体的压电特性 （1）压电陶瓷的极化 未加电场 压电陶瓷是人工制造 的多晶体压电材料。 材料 内部的晶粒有许多自发极 化

6、的电畴, 它有一定的极 化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们 的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零 。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。 第11页/共34页 加电场 电畴方向发生转动, 趋向于按外电场方向的 排列, 从而使材料得到 极化。外电场愈强, 就 有更多的电畴更完全地 转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时 , 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余 极化强度很大, 这时的材料具有压电特性。 第12页/共34页 （ 2）压电陶瓷力与电荷的关系 当陶瓷

7、材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移 动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因 而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变 化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的正压电 效 应 。 电 荷 量 的 大 小 与 外 力 成 正 比 关 系 第13页/共34页 (一)厚度变形(TE方式) 石英晶体的纵向压电效 应，产生的表面电荷密 度为 1111 qd 第14页/共34页 (二)长度变形(LE方式) 利用石英品体的横向压 电效应，表面电荷的计 算式为 1122 qd 第15页/共34页 (三)面剪切变形(FS方式) 1144 2

8、255 qd qd X切晶片 Y切晶片 厚度剪切变形(TS方式) 2266 qd Y切晶片 第16页/共34页 （四）弯曲变形(BS方式) 它不是基本变形方式 ，而是拉、压、切应 力共问作用的结果。 根据具体俏况选择合 适的压电常数。 第17页/共34页 压电元件两电极间的压电陶瓷或石英晶体为绝缘 体，因此可以构成一个电容器，晶体上聚集正负 电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物 质等效于一种介质, 则其电容量为： 0r a S C 第18页/共34页 压电传感器也可以压电传感器也可以 等效为一个电荷源等效为一个电荷源 与一个电容并联与一个电容并联。 压电元件受外力时，两表面产生等量的正

9、 负电荷，压电元件的开路电压为： a Q U C (a)电荷源 第19页/共34页 压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。 电压源 第20页/共34页 电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为： q u a k k C 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器， 前置放大器作用前置放大器作用： 一是放大传感器输出的微弱信号 二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 第21页/共34页 第22页/共34页 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。

10、 第23页/共34页 测量时，将底座与被测量加速度的构件刚性地连 接在一起，使质量块感受与构件完全相同的运动 。当构件产生加速度时，质量块将产生惯性力F1 ，其方向与加速度方向相反，大小为F1ma。此 惯性力与预紧力F0叠加后作用在压电元件上，使 得作用在压电元件上的压力F为： 010 FFFFma 压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即 11110 ()Qd FdFma 2、工作原理、工作原理 第24页/共34页 右图给出了Qf(F)的函数关系 0 Q 为静态工作点的电荷量 与ma对应的是电荷的增量 Q 11 Qdma 工作时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则电荷放大器的输出电压的增

11、量 11 0 ff d maQ u CC 第25页/共34页 由上式可知，电荷放大器的输出电压的增量 与加速度a成正比。因此，只要将 测出，即可测出构件的加速度。 如果在电路中增加一级或两级积分电路，则 还可测出构件的速度或位移量。 0 u0 u 第26页/共34页 压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 检测原理:它利用压电元件对振动敏感的特性来感知 玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动 波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较 等处理后提供给报警系统。 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报 警电路相连。 带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信 号通过，其它频段的

12、信号滤除。 第27页/共34页 比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时 , 输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。如进行 声光报警。 第28页/共34页 压电式测力传感器压电式测力传感器 传感器上盖为传力元件, 当外力作用时, 它将产 生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。两片石英晶 体采用并联方式，一根引线两压电片中间的金属片 上，另一端直接与上盖相接。利用其纵向压电效应, 实现力电转换。电信号通过接头输出。可测动态 力。 注意：上盖与石英晶体间应有一定的预压力。 第29页/共34页 第30页/共34页 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特

13、别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 第31页/共34页 压电式粗糙度测量传感器压电式粗糙度测量传感器 第32页/共34页 UmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr

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