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1、1自动检测技术与仪表自动检测技术与仪表课程设计课程设计-压电传感器及其应用压电传感器及其应用学 院： 专 业： 年 级： 姓 名： 学 号：指导教师： 昆明理工大学昆明理工大学2013 年年 1 月月 5 日日2摘要摘要压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓
2、酸锂、锗酸铋等。关键词：关键词：工作原理；组成结构；测量原理图；特性及参数选择；应用；发展趋势3目目 录录第一章 引言.4 1.1 背景介绍.4 1.2 目的和意义.4 第二章 压电效应.5 2.1 压电效应.5 2.2 压电方程.5 2.2.1 电学边界条件.5 2.2.2 第一类压电方程.6 2.2.3 第二类压电方程.6 2.2.4 第三类压电方程.6 2.2.5 第四类压电方程.7 第三章 压电材料.8 3.1 石英晶体.8 3.2 新型压电材料.8 第四章 压电传感器的测量电路.9 4.1 压电晶片的连接方式.9 4.2 压电传感器的等效电路.10 4.3 压电式传感器的测量电路.1
3、1 4.3.1 电压放大器（阻抗变换器）.12 4.3.2 电荷放大器.13 第五章 压电传感器及其应用.15 5.1 基本应用.15 5.2 加速度传感器.15 5.2.1 工作原理.16 5.2.2 结构形式.16 5.2.3 特性曲线.17 5.2.4 加速度计的固定方法.17 5.3 实际案例分析.17 5.4 压电传感器的发展趋势.18 5.5 总结.18 参考文献.194第一章第一章 引言引言1.1 背景介绍压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列 陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、 耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量
4、测量造成干扰。有机压电 材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可 大量生产和制成较大的面积 ,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性 ,是很 有发展潜力的新型电声材料。 60 年代以来发现了同时具有半导体特性和压 电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏 感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。 压电式传感器的应用 :压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、 寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力 和高速变化的冲击力。1.2 目的和意义课程设计是专业课自动检测技术及仪表课程教学中的重要组成环节，其目的
5、是通过课程设计的教学实践，使学生对所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步认识和锻炼。掌握相关课题的资料收集、整理；方案的设计和对比；提高学生的分析、综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为后续的毕业设计和工程实践作必要的准备。课程设计的主要任务是使学生掌握相关传感器或检测仪表的原理、结构及在工程中的实际应用。同时，在课程设计的过程中，能够锻炼同学们解决问题和分析问题的能力。在此基础上，能够对所设计的传感器或仪表得到更进一步地认识和了解，为以后学习更深的知识打下扎实的基础。5第二章第二章 压电效应压电效应2.1 压电效应某些电介质在沿一定方向上受到
6、外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。2.2 压电方程压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描 述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。但是由于应用状态和测试 条件的不同，压电晶片（振子）可以处在不同的电学边界条件和机械边
7、界条件 下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机 械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应 的方程共有 4 类，即 d 型、e 型、g 型、h 型。四类边界条件为：2.2.1 电学边界条件短路短路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持不变。它的上标用用 E 表示表示。开路开路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。这时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变。它的上标用用 D 表示表示。（2）机械边界条件自由自由：用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自
