传感器与检测技术 传感器与检测技术、压电式传感器 压电传感器.ppt

学习目标： 使学生了解压电式传感器特点、工作原理和应用。 学习重点： （1）压电式传感器的特点、工作原理。（2）压电式传感器的应用。 学习难点：  压电式传感器的工作原理和应用电路分析。 常见的压电传感器如图4-21所示。 压电式玻璃破碎报警器利用压电元件对振动敏感的 特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 * 传感器原理及应用 课题二 压电传感器的转换原理 ＊任务提出：压电式玻璃破碎报警器的设计 利用压电式力敏传感器，设计出一种能振动超限报警的电子装置。 2.2.1 压电传感器 压电传感器是利用某些半导体材料的压电效应来实现由力至电量的转化，属于无源传感器类。 由于其灵敏系数高，信噪比高，使用频带宽，体积小，方便耐用等优点已广泛应用在工业、军事及民用等方面。 压电传感器材料一般有三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。 2.2.1 压电传感器 1、认识压电传感器 2.2.1 压电传感器 各种压电材料的外形图 （ａ）天然石英晶体　（b）石英晶体薄片　（c）压电陶瓷（d）高分子压电薄膜 2.2.1 压电传感器 2、各种压电材料外形图 石英晶体的外形、坐标轴和切片 X轴——电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著。 Y轴——机械轴，在电场作用下，此轴的机械变形最显著。 Z轴——光轴（中性轴），该轴方向上无压电效应。 2.2.1 压电传感器 （1）压电效应 某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即 式中，d是压电常数，它反映了压电效应的强弱。上述现象称正压电效应。 （2-9） 2.2.1 压电传感器 3. 压电传感器的工作原理 晶片受力方向与电荷极性的关系 （a）x轴方向受压（b）x轴方向受拉（c）y轴方向受压　（d）y轴方向受拉 2.2.1 压电传感器 反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应，如下图所示。 1．纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如上图（a）（b）所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 2．横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加压力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。如上图（c）（d）所示。产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。 2.2.1 压电传感器 压电效应： 关于压电效应的 解释： 硅离子 硅离子 硅离子 氧离子 氧离子 氧离子 石英晶体 在X-Y平面 离子分布 X方向受力 Y方向受力 Z方向受力 将不产生压电效应！ (2) 压电陶瓷的压电效应 　　压电陶瓷是人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。 　　原始的压电陶瓷由于内部各个电畴无规则排列，极化效应抵消，因此不具有压电效应。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性。在极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。极化过的压电陶瓷受力后就产生了电荷。 　　压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其灵敏度较高。 2.2.1 压电传感器 压电陶瓷　　　　　　　　 2.2.1 压电传感器 　　压电陶瓷制品正压电效应的应用主要用于燃气点火器，基本工作原理是，由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一数千伏的高压并形成放电火花，点燃可燃气体； 　　逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，基本工作原理为，当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。应用此特性制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子元件。 2.2.1 压电传感器 （a）　　　　　 （b） 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如右图所示。图a为并联接法，图中b为串联接法。 2.2.1 压电传感器 4. 压电元件的并联和串联结构 　　图（a）从电路上看，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