第五章+压电式传感器.ppt

1、本章的主要内容是5.1压电效应5.2压电材料5.2.1水晶晶体5.2.2压电陶瓷5.3压电传感器测量电路5.3.1等效电路5.3.2电压放大器5.3.3压电式传感器的应用、目录、正、 了解压电效应了解常用的压电材料了解压电效应的产生机理了解压电式传感器的测定电路电压放大器和电荷放大器的理解压电式传感器的应用本章的主要内容是5.1压电效应，某物质在某一方向受到外力时变形，同时其内部施加产生极化现象的力的方向将该机械能转换为电能的现象称为“正压电效应”或“正压电效应”。水晶结晶的压电效应、水晶结晶的压电效应的演示、5.2.1水晶结晶、天然形成的水晶结晶外形、5.2压电材料、水晶结晶切片和密封、水晶

2、结晶薄片、两面镀银和密封，(1)水晶结晶的工作原理水晶结晶化学式是SiO2，在图6- 2(a )中表示天然构造的水晶结晶外形正六面体。 水晶结晶各方向的特性不同。 纵轴z称为光轴，穿过六面体的棱线并且与光轴垂直的x轴称为电气轴，同时与x和z轴垂直的轴y称为机械轴。 一般，将通过沿着电气轴的x方向的力产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，将通过沿着机械轴的y方向的力产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 如果在光轴z方向上受力，则不会产生压电效应。 x轴：电气轴或1轴，y轴：机械轴或2轴，z轴：光轴或3轴。 (2)水晶结晶的压电方程式、各向异性的水晶晶片、单一压电效应：式中，I电气效应(电场

3、强度、极化)方向的下标、I=1、2、3； j力方向(应力、应变)方向的坐标，j=1、2、6； Tjj方向的外加力成分(Pa) j方向的应力的I方向的极化强度(或I表面上的电荷密度) (C/)； j方向的应力引起在I表面产生电荷时的压电常数的扩展： (I=1，2，3 )，(3)水晶结晶产生压电效应的机理，初始状态： P=qL，q为电荷量，l为正负电荷间距离。 此时正负电荷的重心重叠，偶极矩的矢量和为零，即，P1 P2 P3=0，因此，在结晶表面不产生电荷，即，为中性。 在x轴方向上作用压力时，结晶在x方向上发生压缩变形，正负的电荷重心不重叠，电极力矩的x方向的成分由于P1的减少和P2、P3的增加

4、而不等于零，即(P1 P2 P3)x 0。 在x轴的正方向出现正电荷，偶极矩的y方向的成分仍为零。 当沿着y轴方向的压力作用于结晶时，P1增大，P2、P3减少。 x轴出现电荷，其极性在x轴正方向为负电荷。 y轴方向上不出现电荷。 当在z轴方向上施加力时，晶体在x方向和y方向上产生的应变完全相同，因此正负电荷重心重叠，偶极矩矢量和等于零。 沿z轴方向施加力，结晶不产生压电效应。 当力fx和fy的方向相反时，电荷的极性也可能改变。 优点：转换效率和转换精度高，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)，工作湿度高达100%，稳定性好。 压电陶瓷外形、5.

5、2.2压电陶瓷、无铅压电陶瓷及其换能器外形，(1)压电陶瓷压电原理压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。 材料内部的晶粒有很多自发极化的畴，具有一定的极化方向，存在电场。 在外部电场起作用的情况下，压电陶瓷呈中性，当施加具有压电性的外部电场时，畴的极化方向旋转，在外部电场方向排列，有使材料极化的倾向。压电陶瓷电荷量的大小与外力成比例关系的： q=d33 F式中的： d33压电陶瓷的压电系数f力。 特征：由于压电系数远大于水晶晶体，使用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度高。 例如，钛酸钡(BaTiO3)的压电系数约为水晶的50倍。 现在使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列)，是由钛酸钡(Ba

6、TiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的Pb(ZrTi)O3。 压电率高，工作温度高。5.3压电式传感器的测量电路、5.3.1压电式传感器的等效电路、(a )电荷源q和电容Ca并联连接的电路(b )是电源U=Q/Ca和电容Ca的串联电路、Ca :与传感器的电容Ra :等效的5.3.2电压放大器、前置放大器输入电压、压电元件输入电压的振幅，结论：不能测量静态物理量。 压电传感器的高频响应性很好。提高测量电路的电阻，扩大低频响应范围，5.3.3电荷放大器，k是放大器的开环增益，(-K )是放大器的输出和输入反转，开环增益足够高的话，放大器的输入端的电位就变成“接地”电位充电电压接近放大器的输出电压

7、，结论： 1、输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，与放大器的放大率的变化和电缆电容等无关2 .反馈电容的数值保持不变，能够得到与电荷量q线性关系变化的输出电压3 .反馈电容Cf小，输出大5、输出电压与电缆容量无关的条件： (1 K)Cf(Ca Cc Ci )，5.4压电式传感器的应用，另一方面，压电式测力传感器下图是压电式单向测力传感器的结构图，由水晶晶片、绝缘套筒、电极、上盖及底座等组成。 二、压电式加速度传感器下图是压电式加速度传感器的结构图。 由压电元件、质量体、预压弹簧、底座及外壳等组成。 将整个零件收纳在外壳内，用螺栓固定。 三、压电式金属加工切削力测量下图是用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 图中的压电传感器位于车刀的前部下方，在进行切削加工时，切削力通过刀具传递到压电传感器，压电传感器将切削力转换成电信号输出，记录电信号的变化来测量