第6章压电式传感器157.pptxVIP

第6章 压电式传感器 ;本章知识要点;;一、压电效应; 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。;; 自然界的大多数晶体都具有压电效应，如石英晶体，还有人造晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 分类：压电晶体、压电陶瓷和高分子材料。 ;压电常数; 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 机械性能 电性能 温度、湿度稳定性好 时间稳定性;天然形成的石英晶体外形;天然形成的石英晶体外形（续） ;图6-2 石英晶体 (b) 切割方向； (c) 晶片 ;石英晶体的压电效应：;X方向受压力或Y方向受拉力;;石英晶体切片及封装;石英晶体振荡器（晶振）;未极化前：不具压电性;机械能 电能; 压电陶瓷的压电系数大，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但是稳定性差。  钛酸钡（BaTiO3）：它是最早的压电陶瓷材料，由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。 ; 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℃以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。  铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅 、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数和较高的工作温度， 而且能承受较高的压力。 ;压电陶瓷外形;高分子压电材料 ;高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆;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;常用压电材料;6.1.3 压电式传感器 ;并联;+ -;(a)厚度变形; (b) 长度变形； (c) 体积变形； (d)面切变形； (e) 剪切变形;6.2 压电式传感器测量电路 ;Ua——电容器上的电压 q——电荷量 Ca——电容量;压电传感器在实际测量中，要与放大器及测量电路相连，此时的等效电路;6.2.2 压电式传感器的??量电路;压电元件受力 f=Fm sinωt 则;前置放大器输入端电压：;ωR (Ca+Cc+Ci) 1时;2、电荷放大器;6.3 压电式传感器的应用 ; 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1~0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力—电转换。 石英晶片的尺寸为φ8×1mm。该传感器的测力范围为0~50N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为50~60 kHz，整个传感器重为10 g。 ;6.3.2 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 ; 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即 ; 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为 ;补充 压电传感器的应用 ;高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器;压电传感器只能应用于动态测量 ; 2．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）;3.交通监测 ;高分子压电电缆的应用演示;二、压电陶瓷传感器的应用 ;压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量 ;压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用