压电式传感器优秀3课件

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1、 压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的发电型发电型传感器，是以传感器，是以某些某些电介质的电介质的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在电为基础，在外力作用下，在电介质的介质的表面上表面上产生电荷，从而实现非电量测量。产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对压电式传感器可以对各种各种动态动态力、机械冲击和振力、机械冲击和振动等动等进行测量，即它只能测动态的量，不能测静态的进行测量，即它只能测动态的量，不能测静态的量量。 第第7 7章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器优秀(3)课件7.1 7.1 压电效应压电效应 一、一、 压电效应压电效应 某某些些电电介介质质,

2、当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时, 其其内内部部就就产产生生极极化化现现象象（内内部部正正负负电电荷荷中中心心相相对对位位移移）, 同同时时在在它它的的两两个个表表面面上上便便产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷, 当当外外力力去去掉掉后后, 其其又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电状状态态，这这种种现现象象称称压电效应。压电效应。 当当作作用用力力方方向向改改变变时时, 电电荷荷的的极极性性也也随随之之改改变变。 这这种种由由机机械械能能转转为为电电能能的的现现象象, 称称为为“正正压压电电效效应应” 。压电式传感器优秀(3)课件 当当在在电电介介质质极极

3、化化方方向向施施加加电电场场, 这这些些电电介介质质也也会会产产生生变变形形, 这这种种现现象象称称为为“逆逆压压电电效效应应”（电电致致伸伸缩缩效效应应）。可将可将电能电能转换为转换为机械能机械能。_y+正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电式传感器优秀(3)课件 压电元件受力后，表面电荷压电元件受力后，表面电荷Q与外力与外力F成正比成正比关系，关系，压电效应表达式：压电效应表达式：d压电系数；压电系数； F外作用力外作用力;电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电式传感器优秀(3)课件7.2 7.2 压电材料压电材料 具具有有压压电电效效应应的的材材料料称称为

4、为压压电电材材料料, 压压电电材材料料能能实现机实现机电能量的电能量的相互转换相互转换。 在在自自然然界界中中大大多多数数晶晶体体具具有有压压电电效效应应, 但但压压电电效效应十分应十分微弱微弱。 随随着着对对材材料料的的深深入入研研究究, 目目前前应应用用较较多多的的压压电电材材料主要有三种：料主要有三种： 压电晶体；压电晶体； 压电陶瓷；压电陶瓷； 高分子压电材料高分子压电材料 。 压电式传感器优秀(3)课件1、单晶体、单晶体石英晶体石英晶体 石英晶体石英晶体是是天然的天然的单晶体结构。它是单晶体结构。它是一个正六面体，有一个正六面体，有右旋右旋和和左旋左旋晶体之分，外晶体之分，外形互为镜

5、像对称。形互为镜像对称。下面是石英晶体的实物图下面是石英晶体的实物图 压电式传感器优秀(3)课件天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形压电式传感器优秀(3)课件天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续） 压电式传感器优秀(3)课件电轴电轴（X轴）：垂轴）：垂直于此轴面上的压直于此轴面上的压电效应最强。电效应最强。机械轴机械轴（Y轴）：轴）：垂直于棱柱面。在垂直于棱柱面。在电场（沿电场（沿X向）作向）作用下，沿用下，沿Y轴方向轴方向的机械变形最大。的机械变形最大。YZXY(a)(b)石英晶体石英晶体(a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b)坐标坐标系系ZX在晶体学中石

6、英晶体可以用三根互相垂直的轴来表示，在晶体学中石英晶体可以用三根互相垂直的轴来表示，光轴光轴（Z Z轴）：垂直于轴）：垂直于XYXY平面。光线沿该轴通过石英晶体时，平面。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射（即发生全反射），在此方向加外力，无压电效应无折射（即发生全反射），在此方向加外力，无压电效应现象现象 。压电式传感器优秀(3)课件压电效应的压电效应的物理解释物理解释 石石英英晶晶体体sio2，3个个硅硅离离子子Si4+离离子子, 6个个氧氧离离子子O2-，两两两两成成对对。微微观观分分子子结结构构为为一一个个正正六六边边形形。垂直于垂直于X轴端面有无数个此分子结构。轴端面有无数个此分子结构。

7、 压电式传感器优秀(3)课件（1 1）未受外力作用时未受外力作用时, , 正、正、负离子正好分布在正六边负离子正好分布在正六边形的形的顶角顶角上上, , 形成三个互形成三个互成成120120夹角的夹角的电偶极矩电偶极矩P P1 1、 P P2 2、P P3 3。如图。如图a a所示。所示。P P1 1+ + P P2 2+P+P3 3=0=0。正负电荷中心重正负电荷中心重合合，晶体垂直，晶体垂直X X轴表面不产轴表面不产生电荷生电荷-呈中性呈中性。 从从QQ指向指向+Q+Q的矢径的矢径l l和电量和电量Q Q的乘积定义为的乘积定义为电电偶极矩偶极矩，通常用矢量，通常用矢量p p表示。表示。压电

8、式传感器优秀(3)课件（2）受受x轴轴方方向向的的压压力力作作用用时时, 晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形, 正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。如如图图（b）所所示示, 此此时时正正负负电电荷荷重重心心不不再再重重合合, 电电偶偶极极矩矩在在x方方向向上上的的分分量量由由于于P1的的减减小小和和P2、P3的的增增加加而而不不等等于于零零, 即即（P1+P2+P3） 0 。 在在x轴正方向出现正轴正方向出现正电荷电荷, 在在y轴方向上不轴方向上不出现电荷出现电荷。压电式传感器优秀(3)课件补充两个概念补充两个概念 极化极化：指事物在一定条件下发生：指事物

9、在一定条件下发生两极分化两极分化，使，使其其性质性质相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化、相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化、光子极化光子极化( (偏振偏振) )、电极极化等。、电极极化等。 具有自发极化的晶体中存在一些具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向自发极化取向一致一致的的微小区域微小区域, ,称为称为电畴电畴. . 压电式传感器优秀(3)课件未加电场未加电场 材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴, 它它有有一一定定的的极极化化方方向向, 从从而而存存在电场。在电场。 在无外电场作用时在无外电场作用时, , 电畴在晶体中电畴在晶体中杂乱杂乱分

10、布分布, , 它们的它们的极化效应被极化效应被相互抵消相互抵消, , 压电陶瓷内极化强度为压电陶瓷内极化强度为零零。因此原。因此原始的压电陶瓷始的压电陶瓷呈中性呈中性, , 不具有压电性质。不具有压电性质。2、多晶体多晶体压电陶瓷（压电陶瓷（人工制造人工制造的的多晶体多晶体压电材料）压电材料）压电陶瓷的极化特性压电陶瓷的极化特性压电式传感器优秀(3)课件 加电场加电场 电畴方向发生转动电畴方向发生转动, , 趋向于趋向于按外电场的方向按外电场的方向排列排列, , 从而使材料得到从而使材料得到极化。极化。外电场愈强外电场愈强, , 就就有更多的电畴更完全地有更多的电畴更完全地转向外电场方向。转向

11、外电场方向。 让外电场强度让外电场强度大到大到使材料的极化达到使材料的极化达到饱和的程度饱和的程度, , 即即所有电畴极化方向都所有电畴极化方向都整齐地整齐地与外电场方向一致时与外电场方向一致时, , 外电场外电场去掉后去掉后, , 电畴的极化方向电畴的极化方向基本不变基本不变, , 即剩余极化强度很大即剩余极化强度很大, , 这时的材料具有压电特性。这时的材料具有压电特性。 压电式传感器优秀(3)课件直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 压电式传感器优秀(3)课件压电陶瓷外形压电陶瓷外形 压电式传感器优秀(3)课件无铅压电陶瓷及其换能

12、器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制） 压电式传感器优秀(3)课件7.3 7.3 等效电路与测量电路等效电路与测量电路一、一、 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 从前面分析可知，压电元件在受到外力作用时，会在从前面分析可知，压电元件在受到外力作用时，会在一个电极表面聚集正电荷，在另一个表面聚集负电荷，因一个电极表面聚集正电荷，在另一个表面聚集负电荷，因此，压电式传感器可以看成一个电荷发生器或者看成一个此，压电式传感器可以看成一个电荷发生器或者看成一个电容器，若已知压电片面积为电容器，若已知压电片面积为S S，压电片厚度为，压电片厚度为，压电

13、材，压电材料的相对介电常数为料的相对介电常数为，则等效电容器的电容值为：，则等效电容器的电容值为： 压电元件受外力时，两表面产生压电元件受外力时，两表面产生等量的等量的正、负电荷，正、负电荷，压电元件的开路电压为压电元件的开路电压为：压电式传感器优秀(3)课件 压电式传感器作为压电式传感器作为压力传感器压力传感器使用时，可等效使用时，可等效为如图为如图 (a)所示的所示的电压源电压源,也可等效为一个也可等效为一个电荷源电荷源，如图如图 (b)所示。所示。 压电传感器电压源与电荷源等效电路压电传感器电压源与电荷源等效电路 压电式传感器优秀(3)课件 压电式传感器与压电式传感器与测量电路连接时测量

14、电路连接时，还，还应考虑应考虑连连接线路的接线路的分布电容分布电容Cc，放大电路的，放大电路的输入电阻输入电阻Ri，放，放大电路的大电路的输入电容输入电容Ci及压电式传感器的及压电式传感器的内阻内阻Ra。 压电传感器实际等效电路压电传感器实际等效电路压电式传感器优秀(3)课件电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：（电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：（P109） 二、二、 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 测测量量时时，需需把把压压电电传传感感器器用用电电缆缆接接于于前前置置放放大大 器器(电压放电器和电荷放电器电压放电器和电荷放电器)，前置放大器，前置放大器作用作用： 一是放大传感

15、器输出的一是放大传感器输出的微弱信号微弱信号; 二是把它的二是把它的高输出阻抗高输出阻抗变换为变换为低输出阻抗低输出阻抗.压电式传感器优秀(3)课件1、电压放大器、电压放大器(阻抗变换器阻抗变换器)等效电阻等效电容压电式传感器优秀(3)课件 若压电元件在若压电元件在正弦力正弦力作用下，即作用下，即 F=FmSint,则则所产生的电荷与电压也按正弦规律变化为：所产生的电荷与电压也按正弦规律变化为：送入送入放大器放大器输入端的电压为：输入端的电压为：压电式传感器优秀(3)课件幅值为压电式传感器优秀(3)课件传感器传感器电压灵敏度电压灵敏度为：为：压电式传感器优秀(3)课件2. 电荷放大器电荷放大器

16、(P111) 为解决压电式传感器电缆分布电容对传感器灵为解决压电式传感器电缆分布电容对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点，可采用电荷放大敏度的影响和低频响应差的缺点，可采用电荷放大器与传感器连接，等效电路图如下图，其可看作是器与传感器连接，等效电路图如下图，其可看作是电荷电荷负负反馈电路。反馈电路。电荷放大器等效电路图电荷放大器等效电路图压电式传感器优秀(3)课件式中：式中：QF反馈电容上的电荷；反馈电容上的电荷；Ui 运算放大器的输入电压；运算放大器的输入电压；A 运算放大器的放大倍数；运算放大器的放大倍数；UiQiQF压电式传感器优秀(3)课件特点：特点：电荷放大器的输出电压只与反馈电容

17、电荷放大器的输出电压只与反馈电容C Cf f有关，而与有关，而与电缆电容电缆电容C CC C无关无关，即与电缆长度无，即与电缆长度无关，关，更换电缆更换电缆不影响不影响传感器灵敏度，且输出电传感器灵敏度，且输出电压与电荷成正比。压与电荷成正比。式中式中C-Ca、Cc、Ci的等效电容的等效电容压电式传感器优秀(3)课件一、压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 检检测测原原理理:它它利利用用压压电电元元件件对对振振动动敏敏感感的的特特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波振动波。7.4 7.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式传感器优秀(3)课件 传传

18、感感器器把把振振动动波波转转换换成成电电压压输输出出，输输出出电电压压经经放放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 带带通通滤滤波波使使玻玻璃璃振振动动频频率率范范围围内内的的输输出出电电压压信信号号通过通过，其它频段的信号滤除。，其它频段的信号滤除。 压电式传感器优秀(3)课件 比比较较器器作作用用是是当当传传感感器器输输出出信信号号高高于于设设定定的的阈阈值值时时, 输输出出报报警警信信号号, 驱驱动动报报警警执执行行机机构构工工作作。如如：进行声光报警。进行声光报警。 压电式传感器优秀(3)课件二、煤气灶电子点火装置二、煤气灶电子点火装置 煤煤气气

19、灶灶电电子子点点火火装装置置原原理理是是利利用用高高压压跳跳火火来来点点燃燃煤煤气气。当当使使用用者者将将开开关关往往里里压压时时，把把气气阀阀打打开开；将将开开关关旋旋转转，则则使使弹弹簧簧往往左左压压；此此时时，弹弹簧簧有有一一很很大大的的力力撞撞击击压压电电晶晶体体，则则产产生生高高压压放电，导致燃烧盘点火。放电，导致燃烧盘点火。 在工程和机械加工中，压电在工程和机械加工中，压电力传感器可用于测量各种机械设力传感器可用于测量各种机械设备及部件所受的冲击力。例如锻备及部件所受的冲击力。例如锻造工作中的锻锤、打夯机、打桩造工作中的锻锤、打夯机、打桩机、振动给料机的激振器、地质机、振动给料机的激振器、地质钻机钻探冲击器、船舶、钻机钻探冲击器、船舶、 车辆车辆碰撞等机械设备冲击力的测量，碰撞等机械设备冲击力的测量，均可采用压电力传感器。均可采用压电力传感器。煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置压电式传感器优秀(3)课件作业：作业：P113 1,4压电式传感器优秀(3)课件