传感器与检测技术项目教程模块七、振动检测（上）.ppt

压电陶瓷（多晶材料）的工作原理 某些陶瓷粉末原料，经1000℃以上高温烧结和机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成。 在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在高温下，用上千伏高电压施加在上下极板上，进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。 压电陶瓷的极化处理 a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1－镀银上电极 2－压电陶瓷 3－镀银下电极 4－电畴 5－极化高压电源 ↑－细微的电畴极化方向 压电陶瓷极化的影响因素 极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320~420℃，极化时间从几分钟到几十分钟。 常用的压电陶瓷材料 （1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数[d＝（200～500）?10-12C/N]。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。 （2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。 压电陶瓷与石英晶体的特性比较 （3）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。 高分子压电材料简述 特点：柔性，密度低。 可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1μm，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。 应用：医学测量脉动信号，例如：超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计。 工业中测量振动；机器人的触觉传感器、加速度传感器等。 军事：水声探测器、边界振动报警、防盗报警系统等。 高分子压电材料的种类、加工 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、尼龙11等，输出脉冲电压可以直接驱动CMOS集成门电路。 将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为120℃，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为0.1μm。 与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。极化场强约5kV/mm，极化温度为80~100℃，极化时间为30~60min。 高分子压电薄膜及拉制 、切片 高分子压电材料的特性 不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。 工作温度一般低于100℃。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。 高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。 测量系统的输出波形。 交通监测 （包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站出、入口、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息： 高分子压电电缆的应用演示 压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量 一体化车刀动态力测量 三、电荷放大器 压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素（主要是分布电容）的影响。 现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属于Q-U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。 1．压电元件的等效电路（图7-8 ） a）结构示意图 b）压电元件的