现代检测技术与系统胡向东电子课件第5章节(866KB).pptVIP

尚辅网 / 第5章　压电式传感器 主要内容 5.1 工作原理 5.2 压电式传感器测量电路 5.3 压电式传感器的应用 学习导航 知识单元与知识点 压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念； 压电材料的分类及其特性； 压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路； 压电元件的连接特性； 压电式传感器的应用。 能力点 深入理解压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念； 理解压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路； 了解压电材料的分类及其特性； 会分析压电元件的连接特性； 了解压电式传感器的应用。 重难点 重点：压电式传感器的工作原理、测量电路。 难点：压电式传感器的测量电路。 学习要求 掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义； 掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理；了解压电材料的主要特性参数及其含义、压电材料的选取； 掌握压电式传感器的等效电路与测量电路； 掌握压电元件并联或串联特性； 了解压电式传感器的典型应用。 5.1 工作原理 （正）压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转变为电能。 逆压电效应（电致伸缩）：当在片状压电材料的两个电极面上加交流电压，将导致压电片产生机械振动（在电极方向上产生伸缩变形） 可见：压电效应具有可逆性 特点： 结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。 5.1.1 压电效应 5.1.2 压电材料 X轴向受力： Y轴向受力： Z轴向受力： 无 石英晶体（单晶体） 现象： 机理： 压电陶瓷（多晶体） 压电机理： 　　压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。  在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 具有剩余极化的压电陶瓷材料受到外力作用时，将在垂直于极化方向的平面上出现电荷集聚的变化，产生由机械能转变为电能的正压电效应。 　　集聚的电荷量的大小与外力成正比关系： 式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数；  F——作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。  压电材料的特性参数 压电系数：衡量压电效应强弱（灵敏度） 弹性系数：决定固有角频率（动态特性） 介电常数：影响固有电容（频率下限） 机电耦合系数：用于衡量能量转换效率 电阻：减少电荷泄漏（改善压电式传感器的低频特性） 居里点：开始失去压电特性的温度 压电材料的选取 选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑： 转换性能：高耦合系数、大压电系数 机械性能：机械强度高 电性能：高电阻率、大介电常数，减弱外部分布电容的影响 温度、湿度稳定性好：宽的温湿度工作范围 时间稳定性：压电特性不随时间褪化 比较石英晶体、钛酸钡、PZT系 石英是较好的单晶体类压电材料，除了压电系数不大外，其他特性都具有显著优越性：居里点573℃，压电系数的温度系数小，弹性系数较大，机械强度高。主要用于测量大量值的力或加速度或作为标准传感器使用 钛酸钡（BaTiO3）：较好的多晶体陶瓷类压电材料，突出的特点：压电系数比石英大几十倍，但居里点温度在120℃左右，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。较其他压电陶瓷更容易极化。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列， 它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300℃左右，工作温度较高，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。但较难极化。 5.2　测量电路 压电式传感器的测量电路 　　压电式传感器本身的内阻抗很高（1