检测技术 教学课件 作者 卜云峰 主编 第5章 压电传感器.ppt

第一节 压电式传感器原理 （一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形（续） 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） （一）压电晶体 压电式传感器中常用的一种性能优良的压电材料 最早发现压电效应的天然晶体 不需要人工极化处理，也没有热释电效应(当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应 )。 压电系数2．3X10-12C/N，压电系数和介电常数具有良好的温度稳定性，在常温范围内，这两个参数几乎不随温度变化。在20-200oC范围内，温度每升高10C，压电系数仅减少0．016％，温度上升到400”C，其压电系数也只减少5％。 当温度达到573oC（居里温度）时，石英晶体就会完全失去 压电特性。 具有很大的机械强度和稳定的机械特性。 自振频率高、动态性能好、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点 2．水溶性压电晶体 最早发现的是酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O） 压电灵敏度高,压电系数d11＝2.3 X10-9C/N 易受潮、机械强度低、电阻率低 使用一般仅限于在室温(＜ 45oC)和温度低的环境 3.铌酸锂晶体 无色或浅黄色的单晶体（LiNbO2） 内部是多畴结构 需要进行极化处理。其压电系数达8 X10-11C/N，比石英晶体的压电系数大35倍左右，介电常数(85)也比石英晶体高得多。 由于是单晶体，其时间稳定性很好 是一种压电性能良好的电声换能材料，居里温度比石英晶体和压电陶瓷要高得多，可达1200oC 应用于耐高温的传感器时会有广泛的前景 较脆弱，热冲击性能较差 加工装配和使用避免过猛和急冷急热 （二）压电陶瓷 由 BaCO3和 TiO2在高温下合成 较高的压电系数(1.07X10-10C/N）和介电常数（1000～5000） 居里温度点较低，仅为120oC左右 机械强度比石英要低 由于它的压电系数高（约为石英晶体压电系数的50倍），在传感器中被广泛应用 2．锆钛酸铅压电陶瓷（PZT） 由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体 较高的压电系数（2～5X10-10C/N） 居里温度点较高（300oC以上） 机电参数随温度和时间等外界因素的变化较小 在压电性能和温度稳定性等方面都远远优于钛酸钡压电陶瓷 目前最普遍使用的一种压电材料 3．铌酸盐压电陶瓷 以铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO2）基础 铌酸铅具有很高的居里温度（570oC）和低的介电常数。 铌酸钾是通过热压过程制成的，它具有较高的居里温度点（480oC），特别适用于作10~40MHZ的高频换能器。 常见压电材料主要参数 （三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） 第六章：第三节 压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用 高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器 质量块 压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。 2．压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。 3.交通监测