第五章压电式传感器培训课件方案研究.ppt

5.1压电式传感器 5.2压电式传感器的基本原理 5.3压电材料 5.4压电材料的压电效应 5.5压电元件的应用特点 5.6压电传感器的应用 ;5.1压电式传感器 一、又称自发电式传感器及电势式传感器 是一种典型的有源传感器。 是一种能量转换型传感器。 二、特点 体积小，重量轻，固有频率高，配上适当的电荷放大器，能在0Hz~10KHz的范围内工作； 适合测量变化迅速的参数，适于动态测量； 测量的力值范围:上百吨——几克。;三、应用 目前多用于加速度和动态力或压力的测量。 在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、煤气点火等方面应用已很普遍。;5.2压电式传感器的基本原理 一、基本原理 基于压电效应。 二、压电效应（1） 某些晶体在一定方向的外力作用下，几何尺寸改变，晶体内部产生极化现象，表面形成电场。外力去除后，表面恢复到不带电的状态。;二、压电效应（2） 反之，若将该材料置于交变的电场中，在外电场的作用下，该材料本身产生机械变形。;5.3压电材料 一、选取的特性要求 1）具有较大的压电常数； 2）具有较高的固有振动频率； 3）有较高的电阻率； 4）压电特性有较好的时间稳定性； 5）有较高居里点。;二、常见的压电材料（压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料） 1、石英晶体 有天然和人工制造两种。石英晶体是最早应用的压电材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。 特性：a、有理想的线性，转换效率高，一般无滞后现象，固有频率高； b、稳定性好，时间老化率低，有较高的绝缘阻抗； c、居里点高（573℃），灵敏度变化小，在几百摄氏度以内，压电系数不随温度变化； 但石英晶体的灵敏度低。; 2、水溶性压电晶体 这一类包括酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等。 特性：有较高的压电系数和介电常数； 易于受潮，且机械强度较低。 适用于室温和湿度较低的环境下。 3、铌酸锂晶体 是一种透明单晶，熔点为1250 ℃ ，居里点为1210 ℃?? 特性：有良好的压电性能和时间稳定性。 适用于耐高温的传感器。; 5、压电半导体 具有半导体特性和压电性能。 可有集转换元件和电子线路为一体的新型传感器。 6、高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜延伸拉展和电极化后，就有一定压电性能。 特点：柔软，不易破碎，可大量生产，制成较大面积。 若压电陶瓷粉末加入高分子化合物，可制成高分子-压电陶瓷薄膜，具有双重特性的新压电材料。;5.4压电材料的压电效应 一、石英晶体的压电效应 1、结构; 2、石英晶体的三种压电效应 1）纵向压电效应(x轴方向受力，垂直于x轴的平面上产生电荷，电荷与晶片尺寸无关。); 2）横向压电效应（沿y轴方向受力，垂直于x轴的平面上产生电荷，电荷与晶片尺寸有关。 ）; 3）剪切效应; 压电式传感器可根据石英晶体的压电效应进行工作。 但石英晶体资源少、价格较贵，一般只是在校准用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才用。大多数压电传感器采用压电陶瓷作压电元件。;二、压电陶瓷的压电效应 原始的压电陶瓷不具有压电性。; 极化后的压电陶瓷没有极化现象，是因为表面被自由电子中和了。 施加沿极化方向的外力作用时，在垂直于极化方向的平面上释放电荷。电荷正比于外力大小。 注：刚极化的压电陶瓷特性不稳定，须经2、3个月。但如使用时间长，则需经常校准。;一、压电元件的常用形式 在压电式传感器中，为提高灵敏度，使用时，常将几片同型号的压电元件组合在一起。 常见的压电元件方式有2种： 并连接法； 串连接法。; 1、并连接法 将压电元件的负极相连。; 2、串连接法;二、压电元件的等效电路 如图:;三、放大器电路 1、作用 把压电元件微弱的信号放大； 把压电元件的高阻抗输入变为低阻抗输出。 2、形式 电荷放大器； 电压放大器。; 3、电荷放大器