压力传感器--压电传感器详解.ppt

新型压电材料 2. 高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。 在实际应用中，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。 那么问题就来了，如何将一系列的压电晶片连接呢？ 压电晶片串并联具体示意图 晶片的并联连接方法 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。 晶片的串联连接方法 串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。 压电晶片串并联比较 在上述两种接法中，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。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。 贵州大学大数据与信息工程学院 压电式传感器 压电式传感器 1 压电效应及压电材料 2 压电式传感器的等效电路 3 压电式传感器的应用 压力检测 在测量上所称的压力就是物理学中的压强，它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生产过程中是重要工艺参数之一。 压力的概念及单位 1、压力的概念: 压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力的大小两个因素决定。表达式为： 2、 压力的单位 （1）工程大气压 （2）标准大气压 （3）约定毫米汞柱 （4）约定毫米水柱 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 正压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应” 逆压电效应 相反，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 压电效应 逆压电效应 电能 机械能 正压电效应 压电材料的性能要求 ①转换性能:要求具有较大的压电常数。 ②机械性能:机械强度高、刚度大。 ③电性能:高电阻率和大介电常数。 ④环境适应性:温度和湿度稳定性要好，要求 具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性:要求压电性能不随时间变化。 压电材料的主要特性参数 （1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应 强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵 敏度。 （2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决 定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3） 介电常数：对于一定形状、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。 压电材料的主要特性参数 (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； 它是衡量压 电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。 压电材料的分类 压电材料可以分为三类： 压电晶体 压电陶瓷 新型压电材料 他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。 常见的压电材料：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅