压电式传感器原理及应用ppt课件

1、、5.3压电式传感器、5.3.1压电式传感器的工作原理5.3.2等效电路及信号电路变换5.3.3压电式加速度传感器5.3.4压电式负荷传感器，下一页，返回，1，5 .去除外力后，再次回到不带电状态，这种现象称为正逆压电效应。 (由施力变形产生的电荷)、前页、前页、返回、2、反逆压电效应在压电材料的两个电极面上，当施加交流电压时，压电片会产生机械振动，即压电片在电极方向上发生伸缩的现象，压电材料的该现象称为“电致伸缩效应”(施加电场的介电质变形的应力)一般的压电材料和3、3、1 .水晶结晶的逆压电效应，x轴：电气轴或1轴； y轴：机械轴或2轴z轴：光轴或3轴。 “纵逆压电效应”:通过沿着电轴(x

2、轴)方向的力产生电荷“横逆压电效应”:通过沿着机械轴(y轴)方向的力产生电荷，在光轴(z轴)方向不产生逆压电效应。 上一页、下一页、后退、4、晶体切片是在电轴方向上施加力Fx时，在与电轴垂直的平面上产生电荷，d11压电系数(C/N )、力是沿着机械轴方向的电荷还在与x轴垂直的平面上的上一页、下一页、返回、6、水晶(b )在x轴方向上压缩，在表面a上呈现负电荷，在b表面上呈现正电荷。 (c )在y轴方向压缩，在a和b表面分别呈现正电荷和负电荷，前页、后页、返回、7、水晶结晶、天然结晶、压电系数d112.311012C/N； 其莫氏硬度为7，熔点为1750，膨胀系数为钢的1/30。 优点：转换效率

3、和转换精度高，线性范围宽，重现性好，固有频率高，动态特性好，工作温度550 (压电系数不随温度变化)，工作大气湿度高达100%，稳定性好。前页、后页、返回、8、2 .压电陶瓷混合双打的逆压电效应、人造的制造的多晶体、压电反应历程与压电晶体的不同。压电蜂窝混合双打的极化、前页、前页、返回、9、蜂窝混合双打片极化、压电蜂窝混合双打片内的束缚电荷与电极上吸附的自由电荷的图像、自由电荷与蜂窝混合双打片内的束缚电荷一致，数值相等，起到遮蔽并抵消蜂窝混合双打片内的极化强度的作用，因此蜂窝混合双打、前页、下页、返回、10、压电陶瓷混合双打的正逆压电效应、压电陶瓷混合双打片如果施加与极化方向相反的平行外力，则

4、陶瓷混合双打片会产生压缩变形，原本吸附在极板上的自由电荷将部分释放，从而引起放电现象。 当压力被消除时，陶瓷薄板复原，薄片内的正、负的电荷间的距离变大，极化强度也变大，因此，在电极上又发生自由电荷的一部分吸附而带电的现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，前页、后页、返回、11、q电荷量d33压电陶瓷混合双打的压电系数f力。 12、常见的压电陶瓷混合双打：(1)钛酸钡(BaTiO3 )压电陶瓷混合双打具有高的压电系数和介电常数，机械强度比水晶差。 (2)钛酸锆英石酸金属铅Pb(ZrTi)O3基压电陶瓷混合双打(PZT )的压电系数高，各机电残奥表随温度、时间等外界条件的变化小，在钛酸锆英

5、石酸金属铅的化学基方向上添加1种或2种微量元素体，可以得到不同性能的PZT材料。(3)铌酸镁酸金属铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷混合双打(PMN )具有高压电系数，即使压力大到700kg/cm2也能够继续工作，能够作为高温下的力传感器。前页、下页、返回、13、5.3.2等效电路及信号电路变换、1、压电元件的等效电路2、压电式传感器的信号调整电路、前页、前页、返回、14、(a )一个电荷源q和一个电容器Ca并联连接的电路(b )是Ca和1个电容器Ca的串联电路，前页，后页，返回，16，2个压电芯片的连接方式，把与(a )等价的电压作为输出信号，适用于测量电路的输入阻抗

6、高的场所。前页、前页、后页、回车、17、2 .压电传感器的信号调理电路、压电传感器，为了将检验误差减小到一定值以内，负载电阻RL需要较大的值。 因此，经常先连接高输入阻抗的前置放大器，再连接一般的放大电路和其电路。 测量电路的高阻抗前置放大器很重要。 前置放大器的两个作用：将放大压电传感器的微弱信号的传感器的高阻态输出转换为低阻抗输出。前页、后页、返回、18、(1)电压放大器、Ca :传感器的漏极电阻Cc :连接电缆的等效电容Ri :放大器的输入电阻Ci :放大器的输入电容、前页、输入电压的大小，在输出为静态输出(=0)时为正压电式传感器不能测量静态物理量是原理上确定的。 压电传感器的突出优点

7、：射频波响应相当好。 上一页、下一页、返回、20、传感器的次低频响应范围是被测定物理量缓慢变化的动态量，如果测定电路的时间常数不大，则传感器灵敏度降低。 因此，为了扩大传感器的次低频响应范围，需要尽可能提高电路的时间常数。 但是，这不能通过增加测量电路的容量来提高时间常数。 由于传感器的电压灵敏度与电容成反比，可行的方法是提高测量电路的电阻。 由于传感器本身的绝缘阻抗一般较大，因此测量电路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。 放大器的输入电阻越大，测量电路的时间常数越大，传感器的次低频响应也越好。上一页、下一页、返回、21、电压放大器应用限制、压电传感器与电压放大器组合使用时，连接线不会太长

8、。 电缆过长，电缆电容器Cc变大，电缆电容器的增大必然使传感器的电压灵敏度降低。 与电荷放大器相比，电压放大器电路简单、元件少、廉价、工作可靠，但电缆长度对传感器测量精度的影响很大，在一定程度上限制了压电传感器的应用。上一页、下一页、后退、22、解决电缆问题的方法、将放大器放入传感器中，构成一体化的传感器。前页、后页、返回、压电式加速度传感器、23、压电式加速度传感器的压电元件是2片并联连接的水晶晶片，放大器是超小型的静电放大器。 如此，如果引线非常短，引线电容几乎为零，则可避免长电缆对传感器灵敏度的影响。 放大器的输入端可以得到大的电压信号，补偿石英晶体灵敏度低的缺陷。 24、(2)电荷放大

9、器、压电式传感器的另一个专用前置放大器。由于高内阻电荷源可转换为低内阻电压源，输出电压与输入电荷成比例，所以电荷放大器也类似地起到阻抗转换作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。 使用电荷放大器突出的优点之一是在某种条件下传感器的灵敏度与电缆长度无关。前页、前页、返回、25、压电传感器和电荷放大器连接的等效电路，k表示放大器的开环男同志，(-K )表示放大器的输出和输入反相，开环男同志一盏茶高的话，放大器的输入端的电位接近 guide 电位充电电压接近放大器的输出电压的几个结论： 1、电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，与放大器的放大系数的变化和电缆电容等无关，

10、2、如果保持反馈电容的数值，则可以得到与电荷量q的变化线性的关系3 .反馈电容Cf小，则输出变大5 .与输出电压电缆容量无关的条件： (1 K)Cf(Ca Cc Ci )、前页、后页、返回、27、5.3.3压电式加速度传感器、压缩式压电加速度传感器结构、前页、前页，由此，质量体与加速度成比例的交变力作用于压电片。 由于压电片的逆压电效应，在两面产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比，即与试验片的加速度成正比。 输出电量从传感器输出端引出，输入前置放大器后，可以按照通常的量测仪器测量试料的加速度，在放大器上放入适当的积分电路后，可以测量试料的振动速度和位移。 上一页、下一页、返回、29、5.3.4压电式负荷传感器、压电元件是直接将力转换为电荷的传感器。 变形方式