812 压电陶瓷的压电效应.ppt

第8章 压电式传感器 8.1 压电效应 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。 8.1.1 石英晶体的压电效应 8.1.2 压电陶瓷的压电效应 8.2 压电材料 压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是多晶体。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。 8.2.1 石英晶体 石英就是二氧化硅（SiO2），是一种压电晶体，除了石英晶体外，常用的压电晶体还有酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O），铌酸锂（LiNbO2）等。 8.2.2 压电陶瓷 1．钛酸钡压电陶瓷 由钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和氧化钛（TiO2）在高温下合成。 2．锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的固溶体Pb（ZrTiO3）。 3．铌酸盐系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO2）为基础制成。 除了以上几种压电材料，近年来，又出现了铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），具有极高的压电常数，居里点为260℃，可承受700kg/cm2的压力。 8.3 压电式传感器测量电路 8.3.1 压电器件的串联与并联 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。 8.3.2 压电式传感器的等效电路 可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源，如图8.4（a）所示。压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电路，如图8.4（b）。 8.3.3 压电式传感器的测量电路 1．电压放大器（阻抗变换器） 前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为w/w0 3时就可以认为Uim与w无关。 2．电荷放大器 由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压为 通常A 104～106，因此若满足 1+A Cf Ca+Cc+Ci时，则 8.4 压电式传感器应用举例 1．压电式压力传感器 （1）单向力传感器 （2）压电式压力传感器测量冲床压力 （3）压电式压力传感器测量金属加工切削力 2．压电式加速度传感器 3．用压电式传感器测表面粗糙程度 4．压电式玻璃破碎报警器 5．压电式煤气灶电子点火装置 小 结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。 压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不能直接显示和记录。所以，压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 第8章 压电式传感器 * 图8.1 石英晶体 图8.2 压电陶瓷的极化过程和压电原理图 图8.3 压电元件的串联和并联接法 图8.5 压电传感器的实际等效电路 图8.4 压电传感器的等效电路 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。如图8.5所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。 图8.6 电压放大器电路原理及其等效电路图 图8.7 电荷放大器等效电路 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 图8.9 冲床压力检测 图8.8 单向压电石英力传感器的结构 图8.10 压电式刀具切削力测量示意图 图8.11 压电式加速度传感器结构图 图8.12 表面粗糙度测量 图8.14 压电式玻璃破碎报警器电路框图 图8.13 BS-D2压电式玻璃破碎传感器 图8.15 压电式煤气灶点火装置 返回目录 第8章 压电式传感器