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1、http:/http:/传感器原理及应用传感器原理及应用大庆石油学院传感器原理及应用主讲人：康朝海http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用第第2 2章章 压电式传感器压电式传感器http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第2 2章章 压电式传感器压电式传感器主要内容主要内容1.1.压电效应压电效应 2.2.压电材料压电材料 3.3.压电元件结构压电元件结构 4.4.等效电路与测量电路等效电路与测量电路 5.5.压电传感器的应用压
2、电传感器的应用 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用概述概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.1 2.1 压电效应压电效应某些电解质（晶体）：某些电解质（晶体）：当沿着一定方向施加当沿着一定方向施加 力变形时，内部产生力变形时，内部产生 极化现象，同时在它极化现象，同时在它 表面会产生符号相反表面会产生符号相反 的电荷；当外力去掉的电荷；当外力去掉 后，又重新恢复不带后，又重新恢复
3、不带 电状态；当作用力方电状态；当作用力方 向改变后，电荷的极向改变后，电荷的极 性也随之改变；这种性也随之改变；这种 现象称现象称压电效应压电效应。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用传感原理及应用传感原理及应用压电元件机械能电能正、负压电效应正、负压电效应http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用压 电 晶 片人 工 合 成 水 晶2.2 2.2 压电材料压电材料http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西
4、工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用按 特 定 方 向 切 片ZXY(a)(b)石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYXZXY(a)(b)石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX(a)石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZXY(b)ZYX2.2.1压电晶体http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感
5、器原理及应用传感器原理及应用硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)+-YXXY +http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用Y +-X(a) FX=0P1P2P3FXXY +FX(b) FX0Y+-X-+ + FXFXP2P3P1 +电偶极矩分析http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关： 当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶 极矩， 晶体呈中性； 当
6、晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现负电荷； http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:2为Y方向应力压电系数 d11=d12 为常数 a 、b是晶体切片几何尺寸(长、厚) 关系式http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器
7、原理及应用对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、 刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居 里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.2 压电陶瓷压电陶瓷谐波器超声波医学压电陶瓷晶片压 电 陶 瓷蜂鸣器打火用压电陶瓷http:/http:
8、/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.2 压电陶瓷http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯压电材料压电材料 聚偏氟乙烯压电效应http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.3 2.3 压电元件结构形式压电元件结构形式 http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程
9、职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.3 2.3 压电元件结构形式压电元件结构形式 + _U_+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _电路串联+ _+ _U电路并联+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ + + + + + + + + + + http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2
10、.4 2.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 2.4.1 2.4.1 压电传感器等效电路压电传感器等效电路 压电元件电荷压电元件电荷Q Q的开路电压的开路电压U U可等效为电源与电可等效为电源与电 容串联或等效为一个电荷源容串联或等效为一个电荷源Q Q和电容和电容CaCa并联。并联。 等效电容http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.4.1 2.4.1 压电传感器等效电路压电传感器等效电路 vv电压灵敏度电压灵敏度vv电荷灵敏度电荷灵敏度它们之间的关系它们之间的关系 等效电压源 等效电流源http:/http:/集散控
11、制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用压电传感器的测量电路前置放大器的作用：前置放大器的作用：（1 1）放大）放大 （2 2）阻抗转换）阻抗转换电压放大器电荷放大器 1 1、电压放大器、电压放大器http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用前置放大器输入 端电压幅值：输入电压与作 用力间的相位 差：前置放大器输入端电压 ：时间常数输入电压与作用力间的相位差：时间常数http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用讨论：讨论：适合测量
12、高频交变力 由运算放大器构成的 电压比例放大器2、电荷放大器灵敏度与电缆电容无关上限下限http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用2.4.2 2.4.2 测量电路测量电路（2 2）电荷放大器）电荷放大器可见：l 电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正 比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。l 缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长 度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用25 压电传感器的应用
13、压电式压力传感器http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用压电式加速度传感 器基座壳体弹簧质量块压电片F=ma,Fa又qFqa1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量 块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输 出的电荷便可知加速度的大小。http:/http:/集散控制系统应用集散控制系统应用山西工程职业技术学院传感器原理及应用传感器原理及应用压电式流量计流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速， 中压和低压气体的流速，不受该流 体的导电率、粘度、密度、腐蚀性 以及成分的影响。其准确度可达 0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深 度的变化，测量声速随深度的分布情况利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在 管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间( 如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收 的相位差
