传感器原理及应用-6摘要.ppt

第六章 压电式传感器 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。 玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。 压电式玻璃破碎报警器电路框图 交通监测 第六章 压电式传感器 海啸预警系统 第六章 压电式传感器 * 第六章 压电式传感器 （3）当石英晶体受到z轴（即光轴）方向应力T3作用时，无论是拉伸应力，还是压缩应力，都不会产生电荷，即：d13=0。 （4）当石英晶体分别受到剪切应力T4、T5、T6作用时， 则有 （即d15= 0） （即d16= 0） x y z 1 2 3 4 5 6 以上三式中的T4、T5、T6分别为晶片x面（即yz平面）、y面（即zx平面）和z面（即xy平面）上作用的剪切应力。 第六章 压电式传感器 由此可得到石英晶体在所有应力作用下的顺压电效应矩阵表达式 ： 压电常数矩阵是正确选择压电元件、受力状态、变形方式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。 由压电常数矩阵还可以知道，压电元件承受机械应力作用时，有哪几种变形方式具有能量转换作用。 3）石英晶体通过dij的四种基本变形方式可将机械能转换为电能。 (a) 厚度变形，通过d11产生x方向的纵向压电效应； (b) 长度变形，通过d12产生y方向的横向压电效应； (c) 面剪切变形，晶体受剪切面与产生电荷的面共面。 如：对x切晶片，当x面（即yz平面）上作用剪切应力时，通过d14在此同一面上产生电荷。对于y切晶片，通过d25可在y面（即zx平面）产生面剪切式能量转换。 (d) 厚度剪切变形，晶体受剪切面与产生电荷不共面，如y切晶片，当z面（即xy平面）上作用有剪切应力时，通过d26在y面（即zx平面）上产生电荷。 第六章 压电式传感器 第六章 压电式传感器 2、 压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算 压电陶瓷的极化方向通常取 z 轴方向，在垂直于 z 轴平面上的任何直线都可取作为 x 轴或 y 轴，对于 x 轴和 y轴，其压电特性是等效的。压电常数 dij 的两个下标中的1和2可以互换，4和5也可以互换，这样在18个压电常数中，不为零的只有5个，其中独立的压电常数只有三个，即d33、d31和d15。 如钛酸钡压电陶瓷，压电常数矩阵为： 钛酸钡压电陶瓷除厚度变形、长度变形和剪切变形外，还可利用体积变形获得压电效应。 石英晶体与压电陶瓷的比较 石英晶体 压电陶瓷 a 单晶体 人工制造的多晶体 b 极化方向：X、Y Z轴 c 介电和压电常数 灵敏度高 的温度稳定性好 第六章 压电式传感器 压电材料的主要性能指标 压电常数——衡量压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度 弹性常数——决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数——影响压电器件的固有电容与频率下限 绝缘电阻——影响电荷泄漏和低频特性 居里点——压电材料开始丧失压电特性的温度 第六章 压电式传感器 压电元件的结构形式 第六章 压电式传感器 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所示。图a为并联接法，其输出电容C＇为单片的n倍，即C＇=nC，输出电压U＇=U，极板上的电荷量Q＇为单片电荷量的n倍，即Q＇=nQ。图中b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇= nU，C＇=C/n。 §6-2 压电式传感器的等效电路 在以上两种联接方式中，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。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。 a b 第六章 压电式传感器 压电式传感器的等效电路 第六章 压电式传感器 压电式传感器对被测量的感受程度是通过其压电元件产生电荷量大小来反映的，因此它相当于一个电荷源，而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器。 第六章 压电