压电式传感器.ppt

石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 压电陶瓷外形 电压放大器应用限制 压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小： 压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。 压电元件的变形 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 压电式振动加速度传感器的结构及外形 例8 交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、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。 振动的频谱分析及仪器 时域图形 频谱仪 频域图形 （频谱图） 频域图形 对应于时域波形（失真的正弦波）的谱线图 基波与3次谐波合成的波形 方波可分解成同频基波及3、5、7……奇次谐波 依靠频谱分析法进行故障诊断 减速箱故障分析 例1： 压电式测力传感器 压电式三向力传感器 例2： 压电式压力传感器 电极结构 预紧力 例3：压电引信 压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹 例4：火炮堂内压力测试 发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。 堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。 例5：压电式加速度传感器 —— 重块质量 —— 加速度 横向振动测振器 纵向振动测振器 例6 单向压电式测力传感器 用于机床动态切削力的测量。 例7：汽车安全气囊系统 事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体 例9：振动测量仪 加速度 160 ug ~ 10 g 速度 0.4 ~ 80 cm/s 振幅 4 um ~ 8 cm 转换开关S A： V： D： 积分：振动速度、幅值 测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪. 频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。 * * 压电器件 受力、表面形变 电荷 压电式传感器的工作原理 一、压电效应 1、正（顺）压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷) 压电介质 正压电效应 Q(E) 电能 T(S) 机械能 逆压电效应 逆压电效应 :在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 ) 二、压电材料简介 压电常数 弹性常数（刚度） 介电常数 机电耦合系数 电阻 居里点 压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性 固有电容、频率下限 机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度 常用压电材料的性能参数： 常用压电材料 双面镀银并封装 晶振 三、石英晶体的压电特性 居里点573℃，六角晶系结构 光轴 电轴 机械轴 晶片上电荷极性与受力方向的关系 (a ) (b ) 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx  式中: d11——x方向受力的压电系数; Fx——作用力 若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为 qy=d12fya/b 式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12= -d1