大连理工传感器原理及应用-第章-课件.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * §6.5 压电式传感器应用 10、压电式动态力传感器 在体育动态测量中应用。 压电式步态分析跑台 压电式纵跳分析装置 在车床中动态切削力测量中应用。 6.1 压电效应 6.2 压电材料 6.3 压电式传感器等效电路 6.4 压电式传感器测量电路 6.5 压电式传感器应用 第六章 压电式传感器 第六章 作 业 第二版教材113页： 练习题：6-1，6-4，6-5第三版教材111页： 练习题：6-1，6-4，6-5 第六章结束 谢谢合作！ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 石英晶体的两种类型： 天然和人工培养。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。 二、石英晶体 §6.2 压电材料 天然 人造 晶片 石英是一种各向异性晶体： 按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。 在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 压电陶瓷主要有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷等。 （1）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。 优点：介电常数和压电系数大（约为石英晶体的50倍）。 缺点：居里点温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 三、压电陶瓷 §6.2 压电材料 （2）锆钛酸铅系压电陶瓷 锆钛酸铅（PZT）是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。 在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可获得不同性能的PZT材料。 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。 压电半导体材料有ZnO、CdS、CdTe等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。 用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。 四、新型压电材料 §6.2 压电材料 1、压电半导体材料 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，有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC等。 2、高分子压电材料 高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可大量生产和制成较大的面积。 高分子压电薄膜拉制 四、新型压电材料 §6.2 压电材料 高分子压电材料特点： 柔软；抗拉强度高；电阻大、击穿强度高；稳定性好。 高分子化合物参杂压电陶瓷粉末，两者优点合一。 高分子压电材料应用： 大面积阵列传感器、人工皮肤。 2、高分子压电材料 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） 高分子压电薄膜压电式脚踏开关 高分子压电薄膜和电缆 6.1 压电效应 6.2 压电材料 6.3 压电式传感器等效电路 6.4 压电式传感器测量电路 6.5 压电式传感器应用 第六章 压电式传感器 压电式传感器基本原理：压电材料的压电效应，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷或电压输出。 一、压电式传感器的测量特性 §6.3 压电式传感器等效电路 压电式传感器不能用于静态测量：外力作用在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，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。 压电式传感器适用于动态测量：压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流。 无铅压电陶瓷及换能器 双面镀银封装石英晶片 压电式传感器在有些测量中需要预载：压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。 预载除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。 一、压电式传感器的测量特性 §6.3 压电式传感器等效电路 拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩，只有在加预载后才能用压电式传感器测量。 各种压电式传感器 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片或两片以上同型号的压电元件粘结在一起。 常见粘结两种方法：并联和串联。 二、压电元件的连接方式 §6.3 压电式传感器等效电路 1、压电元件的并联连接 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