传感器课件压电式传感器

1、传感器技术及应用项目二力传感器 内容一、应变式传感器内容一、应变式传感器 内容二、电感式传感器内容二、电感式传感器 内容三、电容式传感器内容三、电容式传感器 内容四、压电式传感器内容四、压电式传感器 传感器技术及应用项目二力传感器内容四、压电式传感器内容四、压电式传感器 1 1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 2 2 压电式传感器和测量电路压电式传感器和测量电路 3 3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 传感器技术及应用项目二力传感器学习目标学习目标 了解石英晶体和压电陶瓷两种压电材料的转换机理。 掌握压电式传感器在测量过程中的等效电路和典型应用。传感器技术及应用项目二力传感器 一

2、压电效应及压电材料1 1 压电效应压电效应 某些晶体（如石英）当沿着一定方向受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。这一现象称为“正压电效应正压电效应”。 反之，若将这些晶体置于电场之中，其几何尺寸也会产生几何变形，这种在外电场作用下，导致晶体产生机械变形的现象称为“逆压电效逆压电效应应”。传感器技术及应用项目二力传感器压电元件压电元件机械能电能（a） （b） （c）图5-1 压电效应传感器技术及应用项目二力传感器 2 2 压电材料压电材料 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。石英

3、是一种天然单晶体，属于压电晶体；钛酸钡、锆钛酸铅是一种人工合成的多晶体属于压电陶瓷。传感器技术及应用项目二力传感器压电材料性能石英钛酸钡锆钛酸铅PZT4锆钛酸铅PZT5锆钛酸铅PZT8压电系数/（pC/N）d11=2.31d14=0.73d15=260d31=78d33=190d15410d31=100d33=230d15670d31=185d33=600d15330d31=90d33=200相对介电常数/r4.51200105021001000居里点温度/573115310260300密度/（/m3）2.655.57.457.57.45弹性模量/（103N/m2）8011083.311712

4、3机械品质因数10510650080800最大安全应力/（105N/m2） 9510081767683体积电阻率/m10121010（）10101011（）最高允许温度/55080250250最高允许湿度/%100100100100表1 常用压电材料性能表表传感器技术及应用项目二力传感器 3 3 石英晶体石英晶体 石英晶体的化学成分是SiO2，是单晶体结构，它是一个正六面体，如图5-2所示。石英晶体是各向异性材料图5-2 石英晶体传感器技术及应用项目二力传感器 当沿着x轴对晶片施加力时，将在垂直于x轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应纵向压电效应。沿着y轴施加力时，电荷仍出现在与x轴垂

5、直的表面上，这称之为横向压电效应横向压电效应。当沿着z轴方向受力时不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应纵向压电效应。 纵向压电效应产生的电荷为：1 1xxqdFd11为x方向受力的压电系数传感器技术及应用项目二力传感器 4 4 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体） 图5-3 压电陶瓷的极化压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料。压电陶瓷要具有压电效应，必须要有外加电场和压力的共同作用。传感器技术及应用项目二力传感器二 压电式传感器和测量电路1 1 压电式传感器压电式传感器 由于单片压电元件产生的电荷量很小，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常把两片或多片组合在一起使用。

6、由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种。 传感器技术及应用项目二力传感器（a）（b）图5-4 压电元件的串联与并联传感器技术及应用项目二力传感器2 2 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 压电式传感器等效成一个与电容相串联的电压源，如图5-5（a）所示。也可以等效一个与电容相并联的电荷源，如图5-5（b）所示。 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为：aaqUC传感器技术及应用项目二力传感器（a）电压源； （b）电荷源图5-5 等效电路传感器技术及应用项目二力传感器 压电传感器在测量系统中的实际等效电路图5-6 压电传感器的实际等效电路传感器技术及应用项目二力传感器3

7、3 测量电路测量电路 前置放大电路有两种形式，一种是电压放大器，另一种是电荷放大器。 接入高输入阻抗的前置放大器其作用为：一是把传感器的高输入阻抗（一般1000M以上）变换为低输入阻抗（小于100）；二是对传感器输出的微弱信号进行放大。传感器技术及应用项目二力传感器1 1电压放大器电压放大器（a） （b）图5-7 电压放大器的等效电路传感器技术及应用项目二力传感器 压电元件受到交变力F= Fmsint的作用，在放大器输入端形成的电压为：111111iaaaRj CRj Rj CuudFj R CCRj Cj CRj C传感器技术及应用项目二力传感器当 时，放大器的输入电压为：1icaR CCC

8、imiCaduFCCC放大器输入电压幅值与被测频率被测频率无关。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，CcCc将改变，从而引起放大器的输入电压也发生变化。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如果改使用时如果改变电缆长度，则必须重新校正电压灵敏度。变电缆长度，则必须重新校正电压灵敏度。传感器技术及应用项目二力传感器 由上式还可以得出：当作用于压电元件力为静态力（=0）时，则前置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力测量。压电材料只有在交变力的作用下，电荷才可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，所以适合于动态测量。传感器

9、技术及应用项目二力传感器2 2电荷放大器电荷放大器图5-8 电荷放大器等效电路传感器技术及应用项目二力传感器(1)ficaA CCCCofQuC当A1，而时，放大器输出电压可以表示为： 传感器技术及应用项目二力传感器 上式表明： （1）放大器的输出电压接近于反馈电容两端的电压。电荷Q只对反馈电容充电。 （2）电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的突出优点。传感器技术及应用项目二力传感器三 压电式传感器的应用 1 1 压电式测力传感器压电式测力传感器 它由石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成。 传感器的上盖为传力元件，当受到外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到

10、石英晶片上，利用石英晶片的压电效应实现力电转换。传感器技术及应用项目二力传感器 图5-9 压力式单向测力传感器结构图 1石英晶片；2上盖；3基座； 4电极；5绝缘套传感器技术及应用项目二力传感器2 2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件用螺栓固定。传感器技术及应用项目二力传感器 图5-10 压电式加速度传感器结构图1外壳；2质量块；3基座；4螺栓；5压电元件；6预压弹簧传感器技术及应用项目二力传感器3 3 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量图5-11 压电式刀具切削力测量示意图传感器技术及应用项目二力传感器4 4

11、构成报警器电路构成报警器电路图5-12 压电式玻璃破碎报警器电路框图 1传感器；2玻璃传感器技术及应用项目二力传感器 本本 章章 小小 结结 压电式传感器是一种典型的有源传感器，其工作原理是基于某些物质的压电效应。压电效应是压电材料将机电能量互相转换的一种自然现象。压电材料分为石英晶体、压电陶瓷等，利用它们的压电效应可以制成压电式传感器。 石英晶体在沿x轴方向上受力作用时，在垂直于x轴的晶面上产生显著的压电效应。沿y轴方向施加力的作用时，在受力面上不产生电荷，而在沿x轴的两个晶面产生异种电荷。沿z轴方向受力作用时，不产生压电效应。传感器技术及应用项目二力传感器 本本 章章 小小 结结 压电陶瓷是一种人工合成的多晶体，它由无数多个晶粒组成。压电陶瓷要具有压电效应，需要有外电场和外力的共同作用。 压电元件具有很大的内阻，输出的信号很微弱，需配接高输入阻抗的放大器。常用的有电荷放大器和电压放大器两种。 压电式传感器具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度