傳感器原理及應(yīng)用-第5章

1、GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第五章第五章 作 業(yè) 第二版教材第二版教材113113頁(yè)：頁(yè)： 練習(xí)題：練習(xí)題：6-16-1，6-46-4，6-56-5 第三版教材第三版教材111111頁(yè)：頁(yè)： 練習(xí)題：練習(xí)題：6-16-1，6-46-4，6-56-5 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第五章 壓電式傳感器 GongguoyouGongguoyou EXIT

2、EXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第五章 壓電式傳感器 壓電加速度計(jì) 壓電陶瓷超聲換能器 壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計(jì)壓電秤重浮游計(jì)壓電警號(hào)壓電警號(hào) GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 5.2 壓電材料壓電材料 5.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路 5.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用 第五章 壓電式傳感器 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用

3、 一、壓電效應(yīng)的基本概念一、壓電效應(yīng)的基本概念 5.1 壓電效應(yīng) 1 1、正壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電 荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電 的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也 隨之改變。隨之改變。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為 “正壓

4、電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”或或“順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)”。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 一、壓電效應(yīng)的基本概念一、壓電效應(yīng)的基本概念 5.1 壓電效應(yīng) 2 2、逆壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上 產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也 隨之消失。隨之消失。 這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”或或“電致伸電致伸

5、 縮效應(yīng)縮效應(yīng)”。 壓電元件壓電元件 機(jī)械能機(jī)械能 電能電能 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)變 電荷電荷 電場(chǎng)電場(chǎng) 3 3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)、壓電效應(yīng)的特點(diǎn) （1 1）壓電效應(yīng)具有可逆性）壓電效應(yīng)具有可逆性 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 一、壓電效應(yīng)的基本概念一、壓電效應(yīng)的基本概念 5.1 壓電效應(yīng) 3 3、壓電效應(yīng)的特點(diǎn)、壓電效應(yīng)的特點(diǎn) （2 2）具有瞬時(shí)性）具有瞬時(shí)性 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電當(dāng)力的方向改變時(shí)，電 荷的極性隨之改變，輸出電壓荷的極性隨之改變，輸出電壓 的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。 （3 3）具有不穩(wěn)

6、定性）具有不穩(wěn)定性 當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)， 電荷將由于表面漏電而很快泄電荷將由于表面漏電而很快泄 漏、消失。漏、消失。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理 5.1 壓電效應(yīng) 壓電單晶體：壓電單晶體： 石英石英( (包括天然石英和人造石包括天然石英和人造石 英英) )、水溶性壓電晶體、水溶性壓電晶體( (包括酒石酸包括酒石酸 鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二 鉀、硫酸錘等鉀、硫酸錘等) )。 常見的壓電材料可分為兩類：常見的壓電材料可分

7、為兩類： 壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。 多晶體壓電陶瓷：多晶體壓電陶瓷： 鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系 壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮 鎂酸鉛壓電陶瓷等。鎂酸鉛壓電陶瓷等。 天然石英天然石英 壓電陶瓷壓電陶瓷 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理 5.1 壓電效應(yīng) 天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為天然石英晶體，結(jié)構(gòu)形狀為 一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱 的棱錐。的棱錐。 在晶體學(xué)中，用三

8、根互相垂在晶體學(xué)中，用三根互相垂 直的軸建立描述晶體結(jié)構(gòu)形狀的直的軸建立描述晶體結(jié)構(gòu)形狀的 坐標(biāo)系。坐標(biāo)系。 縱軸縱軸Z Z稱為稱為光軸光軸，通過六棱，通過六棱 線而垂直于光鈾的線而垂直于光鈾的X X鈾稱為鈾稱為電軸電軸， 與與X-XX-X軸和軸和Z-ZZ-Z軸垂直的軸垂直的Y-YY-Y軸軸 ( (垂直于六棱柱體的棱面垂直于六棱柱體的棱面) )稱為稱為機(jī)機(jī) 械軸械軸。 1 1、石英晶體壓電效應(yīng)、石英晶體壓電效應(yīng) GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其

9、晶面分別平行于晶面分別平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X軸線。晶片在正常軸線。晶片在正常 情況下呈現(xiàn)電性。情況下呈現(xiàn)電性。 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理 5.1 壓電效應(yīng) 1 1、石英晶體壓電效應(yīng)、石英晶體壓電效應(yīng) 縱向壓電效應(yīng)：縱向壓電效應(yīng)：沿電軸沿電軸(X(X軸軸) )方向的作用力產(chǎn)方向的作用力產(chǎn) 生的壓電效應(yīng)。生的壓電效應(yīng)。 橫向壓電效應(yīng)：橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸(Y(Y軸軸) )方向的作用力方向的作用力 產(chǎn)生的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的壓電效應(yīng) 切向壓電效應(yīng)：切向壓電效應(yīng)：沿相對(duì)兩棱加力時(shí)產(chǎn)生的壓電沿相對(duì)兩棱加力時(shí)產(chǎn)生的壓電 效應(yīng)。效應(yīng)。 沿光軸沿光軸(Z(Z軸軸

10、) )方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理 5.1 壓電效應(yīng) 石英晶體具有壓電效應(yīng)，由內(nèi)部分子石英晶體具有壓電效應(yīng)，由內(nèi)部分子 結(jié)構(gòu)決定的。結(jié)構(gòu)決定的。 一個(gè)單元組體中，構(gòu)成石英晶體的硅一個(gè)單元組體中，構(gòu)成石英晶體的硅 離子和氧離子，在垂直于離子和氧離子，在垂直于z z軸的軸的xyxy平面上的平面上的 投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。投影，等效為一個(gè)正六邊形

11、排列?！啊贝?表硅離子表硅離子SiSi4+ 4+， ，“”代表氧離子代表氧離子O O2- 2-。 。 2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù) 離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三 個(gè)互成個(gè)互成120120夾角的電偶極矩為夾角的電偶極矩為P P1 1、P P2 2、P P3 3。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理 5.1 壓電效應(yīng) 因?yàn)橐驗(yàn)镻=qLP=q

12、L（q q為電荷量，為電荷量，L L為正負(fù)電荷之為正負(fù)電荷之 間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶 極矩的矢量和等于零，即極矩的矢量和等于零，即P P1 1+P+P2 2+P+P3 30 0 晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。 2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x x方向的壓力（方向的壓力（F Fx x00(P1+P2+P3)x0 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、壓電效應(yīng)的基本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理

13、 5.1 壓電效應(yīng) 在在x x 方向上的分量不再等于零方向上的分量不再等于零 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x x00 在在y y、z z方向上的分量為方向上的分量為 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )y y=0=0 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )z z=0=0 2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理 在在x x軸的正向出現(xiàn)軸的正向出現(xiàn)正電荷，在正電荷，在y y、 z z方向不出現(xiàn)電荷方向不出現(xiàn)電荷。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、壓電效應(yīng)的基

14、本原理二、壓電效應(yīng)的基本原理 5.1 壓電效應(yīng) 2 2、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理、石英晶體壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理 在在x x軸的正向出現(xiàn)軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在負(fù)電荷，在y y、z z 方向依然不出現(xiàn)電荷方向依然不出現(xiàn)電荷。 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x x方向的拉力（方向的拉力（F Fx x 0 0）作用時(shí)，電偶極矩）作用時(shí)，電偶極矩P P1 1增大，增大， P P2 2、 P P3 3減小，在減小，在x x、y y、z z三個(gè)方向上的分三個(gè)方向上的分 量為量為 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )y y 0 1。根據(jù)。根據(jù) Uim()的表達(dá)式，在理想情的表達(dá)式，在理想情 況下輸入電壓

15、幅值為況下輸入電壓幅值為 )(1/ / CCRj Rj df ZRZ ZR UU acC C ai a A u o CiRiCeRe C a u a (a) CR C a u a u i (b) 輸入等效電路輸入等效電路 放大器輸入端電壓幅值為放大器輸入端電壓幅值為 222 )(1 ica m im CCCR RdF U 輸入電壓和作用力之間相位差為輸入電壓和作用力之間相位差為 )(arctan 2 )(RCCC ica GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 一、電壓放大器（阻抗變換器）一、電壓放大器（阻抗變換器） 5.4 壓電式

16、傳感器測(cè)量電路 1 1、電壓放大器電路原理、電壓放大器電路原理A u o CiRiCeRe C a u a (a) CR C a u a u i (b) 輸入等效電路輸入等效電路 （1）壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。）壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。 （2）當(dāng)）當(dāng)1時(shí)（工程中認(rèn)為時(shí)（工程中認(rèn)為3可滿足要求），輸入電壓與可滿足要求），輸入電壓與 信號(hào)頻率無關(guān)。信號(hào)頻率無關(guān)。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，高頻響應(yīng)特性好。時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，高頻響應(yīng)特性好。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：低頻響應(yīng)差。提高低頻響應(yīng)的辦法是增大時(shí)間常數(shù)，即低頻響應(yīng)差。提高低頻響應(yīng)的辦法是增大時(shí)間常數(shù)，即 增大電容或提高輸入電阻。增大電容或提高

17、輸入電阻。 ica m ica m im CCC dF CCCR RdF U 222 )(1 前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)為前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)為 RCCC ica )( GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 一、電壓放大器（阻抗變換器）一、電壓放大器（阻抗變換器） 5.4 壓電式傳感器測(cè)量電路 2 2、傳感器電壓靈敏度、傳感器電壓靈敏度 前置電路要有高輸入阻抗：前置電路要有高輸入阻抗： 因?yàn)閭鞲衅麟妷红`敏度與電容成反比，因?yàn)閭鞲衅麟妷红`敏度與電容成反比， 所以提高低頻響應(yīng)的辦法只能是增大前置輸所以提高低頻響應(yīng)的辦法只能是

18、增大前置輸 入回路電阻，這樣導(dǎo)致電壓放大器響應(yīng)差。入回路電阻，這樣導(dǎo)致電壓放大器響應(yīng)差。 ica ica ica m im U CCC d CCC R d CCCR Rd F U K 2 2 2 )( )( 1 )(1 壓電式傳感器的電壓靈敏度為壓電式傳感器的電壓靈敏度為 1R 因此，要求電壓放因此，要求電壓放 電器前置電路具有高輸電器前置電路具有高輸 入阻抗。入阻抗。 前置電壓放電器采前置電壓放電器采 用高輸入阻抗的運(yùn)算放用高輸入阻抗的運(yùn)算放 大器，具有阻抗變換的大器，具有阻抗變換的 作用。作用。 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) A uo CiR

19、iCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 一、電壓放大器（阻抗變換器）一、電壓放大器（阻抗變換器） 5.4 壓電式傳感器測(cè)量電路 從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可從傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度可 見，連接電纜的分布電容見，連接電纜的分布電容C Ce e影響傳感器輸出影響傳感器輸出 電壓和靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重電壓和靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重 新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感，新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感， 這是電壓放大器的缺點(diǎn)。這是電壓放大器的缺點(diǎn)。

20、 因此，壓電傳感器因此，壓電傳感器 與前置放大器之間連接與前置放大器之間連接 電纜不能隨意更換，否電纜不能隨意更換，否 則將引入測(cè)量誤差。則將引入測(cè)量誤差。 解決電纜分布電容解決電纜分布電容 的影響和低頻響應(yīng)差的的影響和低頻響應(yīng)差的 缺點(diǎn)可采用電荷放大。缺點(diǎn)可采用電荷放大。 ica m ica m im CCC dF CCCR RdF U 222 )(1 ica ica U CCC d CCCR Rd K 2 )(1 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 2 2、傳感器電壓靈敏

21、度、傳感器電壓靈敏度 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，運(yùn)算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故放大器輸入端幾乎沒有分流，故 可等效成略去可等效成略去Ra和和Ri并聯(lián)電阻的并聯(lián)電阻的 電路。電路。 二、電荷放大器二、電荷放大器 5.4 壓電式傳感器測(cè)量電路 電荷放大器是一種輸出電壓電荷放大器是一種輸出電壓 與輸入電荷量成正比的前置放大與輸入電荷量成正比的前置放大 器。利用電容作反饋元件的深度器。利用電容作反饋元件的深度 負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。 通常通常A=10 4108，

22、當(dāng)滿足 ，當(dāng)滿足 (1+A)CrCa+Cc+Ci時(shí)，則有時(shí)，則有 rica o CACCC Aq u )1 ( 1 1、電荷放電器輸出電壓、電荷放電器輸出電壓 A uo CiqCaCe Cr 反饋電容反饋電容Cr折合到放大器輸折合到放大器輸 入端的有效電容為入端的有效電容為(1+A)Cr。電荷。電荷 放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓為 ro Cqu/ GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 二、電荷放大器二、電荷放大器 5.4 壓電式傳感器測(cè)量電路 電荷放大器輸出電壓電荷放大器輸出電壓 2 2、電荷放電器的特點(diǎn)、電荷放電器的特點(diǎn)

23、ro Cqu/ （1 1）電荷放大器的輸出電壓）電荷放大器的輸出電壓 只取決于輸入電荷與反饋電容，與只取決于輸入電荷與反饋電容，與 電纜電容無關(guān)，且與電荷成正比。電纜電容無關(guān)，且與電荷成正比。 （2 2）采用電荷放大器時(shí)，即）采用電荷放大器時(shí)，即 使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，靈敏使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，靈敏 度也無明顯變化，這是電荷放大器度也無明顯變化，這是電荷放大器 的最大特點(diǎn)。的最大特點(diǎn)。 （4）為了得到必要的測(cè)）為了得到必要的測(cè) 量精度，要求反饋電容量精度，要求反饋電容Cr的溫的溫 度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好。在實(shí)度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好。在實(shí) 際電路中，考慮到不同的量程際電路中，考慮到不同的量程

24、 等因素，等因素，Cr的容量做成可選擇的容量做成可選擇 的，范圍一般為的，范圍一般為102104pF。 （3）電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。）電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 5.2 壓電材料壓電材料 5.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路 5.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.5 壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用 第五章 壓電式傳感器 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用

25、壓電式傳感器主要測(cè)量動(dòng)態(tài)壓電式傳感器主要測(cè)量動(dòng)態(tài) 力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)，在聲學(xué)、醫(yī) 學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面應(yīng)用廣泛。 1 1、壓電式力傳感器壓電式力傳感器 壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié) 構(gòu)，主要由石英晶片、構(gòu)，主要由石英晶片、 絕緣套、絕緣套、 電極、上蓋及基座等組成。電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件，外傳感器上蓋為傳力元件，外 緣壁厚為緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)外力作用，當(dāng)外力作用 時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石 英晶片上。利用壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)英晶片上。利用壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn) 力力

26、電轉(zhuǎn)換。電轉(zhuǎn)換。 石 英 晶 片 的 尺 寸 為石 英 晶 片 的 尺 寸 為 81mm。該傳感器的測(cè)力范。該傳感器的測(cè)力范 圍為圍為050N，最小分辨率為，最小分辨率為 0.01N，固有頻率為，固有頻率為5060 kHz， 整個(gè)傳感器重為整個(gè)傳感器重為10 g。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用 2 2、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)，主要由 壓電元件、質(zhì)量塊、壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧預(yù)壓彈簧、基座及外殼、基座及外殼 等組成。整個(gè)部件

27、裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加 以固定。以固定。 當(dāng)壓電式加速度當(dāng)壓電式加速度 傳感器和被測(cè)物一起傳感器和被測(cè)物一起 受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓 電元件受質(zhì)量塊慣性電元件受質(zhì)量塊慣性 力的作用。力的作用。 慣性力作用于壓慣性力作用于壓 電元件上，產(chǎn)生電荷。電元件上，產(chǎn)生電荷。 輸出電荷與加速度成輸出電荷與加速度成 正比。正比。 因此，根據(jù)加速因此，根據(jù)加速 度傳感器輸出電荷便度傳感器輸出電荷便 可知加速度的大小?？芍铀俣鹊拇笮　?GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)

28、用 3 3、壓電式聲傳感器壓電式聲傳感器 當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷 片兩端面時(shí)，因壓電陶瓷的逆片兩端面時(shí)，因壓電陶瓷的逆 壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方 向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短，向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短， 產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)射聲波。產(chǎn)生振動(dòng)發(fā)射聲波。 如果換能器中壓電陶瓷的振蕩如果換能器中壓電陶瓷的振蕩 頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收頻率在超聲波范圍，則發(fā)射或接收 的聲頻信號(hào)即為超聲波。這樣的換的聲頻信號(hào)即為超聲波。這樣的換 能器稱為能器稱為壓電超聲換能器壓電超聲換能器。 當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加 在壓電陶瓷片上時(shí)，壓電陶瓷在壓電陶瓷片上

29、時(shí)，壓電陶瓷 片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變 形，壓電陶瓷上因正壓電效形，壓電陶瓷上因正壓電效 應(yīng)出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，聲頻信應(yīng)出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，聲頻信 號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電信號(hào)，接收聲號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電信號(hào)，接收聲 頻信號(hào)。頻信號(hào)。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用 4 4、壓電式流量計(jì)、壓電式流量計(jì) 超聲波流量計(jì)：超聲波流量計(jì)： 壓電超聲換能器壓電超聲換能器 每 隔 一 段 時(shí) 間 （ 如每 隔 一 段 時(shí) 間 （ 如 1/100s）發(fā)射和接收互）發(fā)射和接收互 換一次。換一次。 在順流和逆

30、流的在順流和逆流的 情況下，發(fā)射和接收情況下，發(fā)射和接收 的相位差與流速成正的相位差與流速成正 比。比。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用 5 5、壓電式傳感器管道檢漏、壓電式傳感器管道檢漏 地面下一均勻的自來水直管道某處地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng) 從從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，從兩兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，從兩 個(gè)傳感器接收到的由個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間

31、差可時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可 計(jì)算出計(jì)算出LA或或LB。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用 6 6、石英晶體振蕩器（晶振）、石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩石英晶體在振蕩 電路中工作時(shí)，電路中工作時(shí)，壓電壓電 效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交交 替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn) 定的振蕩輸出頻率。定的振蕩輸出頻率。 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用 7 7、壓電式壓電式玻璃破碎報(bào)警裝置玻璃破

32、碎報(bào)警裝置 高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻 璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā) 出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集 中報(bào)警系統(tǒng)。中報(bào)警系統(tǒng)。 厚約厚約0.2mm左右的左右的PVDF薄膜薄膜 裁制成裁制成1020mm大小。用瞬干膠大小。用瞬干膠 粘貼在玻璃上。粘貼在玻璃上。 當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓 電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生 電荷，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄電荷，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄 脈沖報(bào)警信號(hào)。脈沖報(bào)警信號(hào)。 質(zhì)質(zhì) 量量 塊塊 GongguoyouGongguoyou EXITEXITEXIT 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 5.5 壓電式傳感器應(yīng)用 8 8、壓電式