任务压电式传感器教案解析.ppt

* 1、石英晶体 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其压电系数的温度稳定性相当好。 在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。 斜率： －0.016％/℃ 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 dt / d20 t℃ 石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性 * 优点： 性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。 缺点： 价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。用于标准仪器或要求较高的传感器中。 切割： 各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 组成： 天然和人工培养两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。 * 天然形成的石英晶体外形 * 人工合成水晶 双面镀银并封装 压电晶片 石英晶体薄片 石英晶体切片及封装 * ⑴ 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有较大的压电系数约为石英晶体的50倍。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 2、压电陶瓷 * ⑵ 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 * * 压电陶瓷外形 超声波美容仪器用压电陶瓷晶片 医用B超换能器用晶片 * 1. 压电晶片的连接方式 四 压电传感器等效电路 由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。 所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路—定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。 * 在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。 * 并联连接 + + + - - - - - - + + + + - 并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 * 串联连接 + + + - - - - - - + + + - + 串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于测量电压作输出信号和快变化信号的场合。 返回 * 2 、 压电传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为: A——压电片的面积； d——压电片的厚度； ε——压电材料介电常数。 * ＋＋＋＋ ―――― q 电极 压电晶体 q Ce 静电发生器 电容器 * 压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ce的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ce的并联电路，如图(b)。 （a）电压等效电路 Ce U＝q/ Ce q ＝UCe Ce （b）电荷等效电路 * Cc ：连接电缆等效电容 Ri ：放大器输入电阻 Ci ：放大器输入电容 Rd ：传感器泄漏电阻 实际等效电路 * 3、 压电传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高(大于1010欧姆），输出能量较小，给后续测量电路（放大电路）提出很高要求。 为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为： 一防止电荷迅速泄露 二是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 三是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 * 电压放大器 ～ ～ 若压电元件材料受正弦力作用，则产生的电压值为 Fm—作用力的幅值 —电压幅值 压电系数 * 可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为 ～ ～