3.2压电式压力传感器演示教学.ppt

3.2 压电式压力传感器; 压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下,在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。; 某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；;石英晶体的压电效应演示;压电元件;;超声波传感器;1、石英晶体的压电效应;晶体沿X方向将产生收缩，电偶极矩在X方向的分量为 (P1+P2+P3)X0 (P1+P2+P3) Y=0 (P1+P2+P3 ) Z=0 即在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。;当晶体在Y轴方向力FY作用时： 当FY＞0时，晶体的形变与在X轴方向力FX＜0 相似； 当FY＜0时，则与在X轴方向力FX ＞ 0 相似。 可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 如果沿Z轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 表明：沿Z（即光轴）方向加作用力FZ晶体不产生压电效应。 ;压电效应结论;1、种类： 石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、对压电材料特性要求： ①转换性能：要求具有较大压电常数； ②机械性能：机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率； ③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④环境适应性强：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。 ;（一）? 石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性好。在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，压电特性完全失去，这就是它的居里点。 ;（二）?? 压电陶瓷 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。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。;（三） 、压电半导体 1968年出现了多种压电半导体材料，如硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等。 特点：既有压电特性，又有半导体性质，因此，可研制压电传感器，也可制作半导体电子器件，还可将二者结合，研制新型集成压电传感器。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，还可测温度等参数。 （四）、高分子压电材料 高分子压电薄膜：是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯 优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。 高分子压电陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数。 ;（一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容量为 ;?压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联 或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。 ;q;压电传感器只能应用于动态测量 ;压电元件的连接; 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。 　　从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。 　　图a）从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。 　　图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。 ;超声波探伤传感器;各种超声波测厚传感器;各种超声波传感器