压电磁敏传感技术ppt课件

1、 压电式传感器的任务原理是基于某些介质资料(石英晶体和压电陶瓷的压电效应。 是双向传感器。实现力与电荷的双向转换。第六章第六章 压电磁敏传感技术压电磁敏传感技术 可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的运用。第一部分第一部分 压电传感器压电传感器一、一、 压电效应压电效应 某些电介质某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形当沿着一定方向对其施力而使它变形时时, 其内部就产生极化景象内部正负电荷中心相其内部就产生极化景象内部正负电荷中心相对位移对位移, 同时在它的两个外表上便产生符号相反同时在它的两个外表上便产生符号相反的电

2、荷的电荷, 当外力去掉后当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电形状，其又重新恢复到不带电形状， 这种景象称压电效应。当作用力方向改动时这种景象称压电效应。当作用力方向改动时, 电荷电荷的极性也随之改动。的极性也随之改动。 这种机械能转为电能的景象这种机械能转为电能的景象, 称为称为“正压电效应正压电效应 。 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种景象称为“逆压电效应电致伸缩效应。可将电能转换为机械能。具有压电效应的资料称为压电资料, 压电资料能实现机电能量的相互转换。_y逆压电效应压电效应+ 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应非常微弱。随着对资料的深化研讨, 发

3、现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等资料是性能优良的压电资料。 明显呈现压电效应的敏感功能资料叫压电资料明显呈现压电效应的敏感功能资料叫压电资料压电资料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。 压电资料的主要特性参数有: 1 压电常数:压电常数是衡量资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:压电资料的弹性常数、 刚度决议着压电器件的固有频率和动态特性。 3 介电常数：对于一定外形、 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

4、量压电资料机电能量转换效率的一个重要参数。 5 电阻压电资料的绝缘电阻将减少电荷走漏, 从而改善压电传感器的低频特性。6 居里点：压电资料开场丧失压电特性的温度称为居里点。 力与电荷的关系力与电荷的关系 假设从晶体上沿假设从晶体上沿 y 方向切下方向切下一块如图一块如图 所示晶片所示晶片, 当在电轴方向当在电轴方向施加作用力时施加作用力时, 在与电轴在与电轴 x 垂直的垂直的平面上将产生电荷平面上将产生电荷, 其大小为其大小为 qx = d11 fx 式中式中: d11x方向受力的压电方向受力的压电系数系数; fx作用力作用力产生的电荷与几何尺寸无关。纵向产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应

5、。压电效应。 沿机械轴y方向施加作用力fy, 那么仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx ,其大小为yyxFhldFhldq1112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。产生的电荷与几何尺寸有关。压电效应为横向压电效应。 压电效应的物了解释 石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子, 6个氧离子O2-。两两成对。微观分子构造为一个正六边形。垂直于X轴端面有无数个此分子构造。 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, 构成三个互成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

6、直X轴外表不产生电荷。呈中性。2受x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生紧缩变形, 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的添加而不等于零, 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。3遭到沿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。 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资料。 资料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,

7、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。 加电场 电畴方向发生转动, 趋向于按外电场方向的陈列, 从而使资料得到极化。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资料的极化到达饱和的程度, 即一切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, 电畴的极化方向根本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的资料具有压电特性。 2压电陶瓷力与电荷的关系 当陶瓷资料遭到外力作用时, 电畴的界限发生挪动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强

8、度的变化, 因此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景象, 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 二 压电元件的常用构造方式压电元件的根本变形(一)厚度变形(TE方式)石英晶体的纵向压电效应，产生的外表电荷密度为1111qd(二)长度变形(LE方式)利用石英品体的横向压电效应，外表电荷的计算式为1122qd(三)面剪切变形(FS方式)11442255qdqdX切晶片Y切晶片厚度剪切变形(TS方式)2266qdY切晶片四弯曲变形(BS方式)它不是根本变形方式，而是拉、压、切应力共问作用的结果。根据详细俏况

9、选择适宜的压电常数。三 等效电路与丈量电路 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路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外表相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质, 那么其电容量为：0raSC 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，两外表产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为：aQUC(a)电荷源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。电压源电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：quakkC 压

10、电式传感器的丈量电路压电式传感器的丈量电路 丈量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大丈量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：器，前置放大器作用： 一是放大传感器输出的微弱信号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二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗四四 压电式传感器的运用压电式传感器的运用 压电式加速度传感器压电式加速度传感器1、构造、构造 压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷荷 它主要由压电元件、

11、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。 丈量时，将底座与被丈量加速度的构件刚性地衔接在一同，使质量块感受与构件完全一样的运动。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：010FFFFma压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即11110()Qd FdFma2、任务原理、任务原理右图给出了Qf(F)的函数关系0Q为静态任务点的电荷量与ma对应的是电荷的增量 Q11Qdma任务时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，那么电荷放大器的输出电压的

12、增量110ffd maQuCC 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，只需将测出，即可测出构件的加速度。 假设在电路中添加一级或两级积分电路，那么还可测出构件的速度或位移量。0u0u 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、比较等处置后提供应报警系统。 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后经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经过，其它频段的信号滤除。 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

13、机构任务。如进展声光报警。 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传感器上盖为传力元件, 当外力作用时当外力作用时, 它将产生弹性变它将产生弹性变形形, 将力传送到石英晶片上。两片石英晶体采用并联方式，将力传送到石英晶片上。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。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利用其纵向压电效应, 实现力实现力电转换。电信号经过接头输电转换。电信号经过接头输出。可测动态力。出。可测动态力。留意：上盖与石英晶体间应有一定的预压力。留意：上盖与石英晶体间应有一定的预压力。压电式金属加工切削力压电式金属加工切削力丈量丈量 由于压电陶瓷元件由于压电陶瓷元件的自振频率高的自振频率高,