第8章_壓電式傳感器及應(yīng)用

1、2022-3-251第第8 8章壓電式傳感器及應(yīng)用章壓電式傳感器及應(yīng)用 2022-3-252引言引言n壓電式傳感器的工作原理是基于某些介壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)，其表面器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。n壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、作頻帶寬等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面

2、都得到了非常廣學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。2022-3-253主要章節(jié)主要章節(jié)n8.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 n8.2壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 n8.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 2022-3-2548.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料n1壓電效應(yīng)的概念壓電效應(yīng)的概念 n某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾承╇娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的變形時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢

3、復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)壓電效應(yīng)。稱(chēng)壓電效應(yīng)。n相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效逆壓電效應(yīng)應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。 8.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)2022-3-255壓電效應(yīng)可逆性壓電效應(yīng)可逆性 2022-3-2562.壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)原理(以石英晶體為例以石英晶體為例)2022-3-257現(xiàn)象：現(xiàn)象：2022-3-258機(jī)理：機(jī)理：2022-3-259分析說(shuō)明分析說(shuō)明n（1）在無(wú)外力作用時(shí)）在無(wú)外力作用時(shí) n（2）當(dāng)

4、晶體沿電軸（）當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受到壓軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形 n（3）同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（）同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形 n（4）當(dāng)晶體的光軸（）當(dāng)晶體的光軸（z軸）方向受到受軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2022-3-2510nX軸向受力：軸向受力：nY軸向受力：軸向受力：nZ軸向受力：軸向受力： qz=011xxqdf1211yyyaaqdfdfbb 產(chǎn)生電荷的大小

5、產(chǎn)生電荷的大小2022-3-25118.1.2 常用壓電材料常用壓電材料 n石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。性能優(yōu)良的壓電材料。n應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有一般有3類(lèi)：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的類(lèi)：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。壓電陶瓷、高分子壓電材料。2022-3-2512石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形2022-3-2513天然形成的石英晶體外形2022-3-2514石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝2022-3-2515石英

6、晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振晶振2022-3-2516壓電陶瓷（多晶體）壓電陶瓷（多晶體）2022-3-2517壓電陶瓷外形 2022-3-2518高分子壓電薄膜及拉制 2022-3-2519高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜 2022-3-2520可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板 2022-3-2521壓電式腳踏報(bào)警器 2022-3-2522壓電材料的選取壓電材料的選取n選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：n轉(zhuǎn)換性能轉(zhuǎn)

7、換性能n機(jī)械性能機(jī)械性能n電性能電性能n溫度、濕度穩(wěn)定性好溫度、濕度穩(wěn)定性好n時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性2022-3-25238.2壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路n將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。n當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)電極上當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源電荷源n兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器。容器。8.

8、2.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 2022-3-2524壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 n壓電元件等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電壓電元件等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)荷源，也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源，的電壓源，2022-3-2525壓電元件實(shí)際的等效電路圖壓電元件實(shí)際的等效電路圖 n壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測(cè)量回路以源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。一定的電流，故只適

9、用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 2022-3-25268.2.2 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 n壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測(cè)量誤差減少。止電荷的迅速泄漏而使測(cè)量誤差減少。n壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個(gè)：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈蛡€(gè)：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微弱信?hào)進(jìn)阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。行放大。2022-3

10、-25271.電荷放大器電荷放大器 n并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器電路的高增益運(yùn)算放大器電路 電荷放大器原理圖 2022-3-25282.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） n串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測(cè)量電路時(shí)，要求前置放大器不輸出型測(cè)量電路時(shí)，要求前置放大器不

11、僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗的輸入阻抗 2022-3-25298.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用8.3.1 壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)2022-3-2530壓電片的并聯(lián)連接電路圖壓電片的并聯(lián)連接電路圖 2022-3-25318.3.2 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 n壓電式傳感器主要用于動(dòng)態(tài)作用力、壓壓電式傳感器主要用于動(dòng)態(tài)作用力、壓力、加速度的測(cè)量。力、加速度的測(cè)量。2022-3-25321.壓電式力傳感器壓電式力傳感器 n壓電式力傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元壓電式力傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件，輸出電荷與作用力成正比

12、的力件，輸出電荷與作用力成正比的力電電轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式，轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式，它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等組成引出插座等組成 2022-3-2533YDS-78型壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器型壓電式單向動(dòng)態(tài)力傳感器 n變化頻率不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。測(cè)力變化頻率不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。測(cè)力范圍達(dá)幾十范圍達(dá)幾十kN以上，非線性誤差小于以上，非線性誤差小于1%，固有頻率可達(dá)數(shù)十千赫。，固有頻率可達(dá)數(shù)十千赫。 2022-3-25342.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 n由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓

13、彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定并用螺栓加以固定 2022-3-2535壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 慣性力是加速度的函數(shù)，慣性力慣性力是加速度的函數(shù)，慣性力F 作用于壓電元件上，因作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷而產(chǎn)生電荷Q，當(dāng)傳感器選定后，傳感器輸出電荷與加速度，當(dāng)傳感器選定后，傳感器輸出電荷與加速度a成正比成正比 2022-3-2536高分子壓電材料的應(yīng)用3. 玻璃打碎報(bào)警裝置玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電測(cè)將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。中報(bào)警系統(tǒng)。 粘貼粘貼位置位置2022-3-25374.交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車(chē)型分將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車(chē)型分類(lèi)信息（包括軸