壓電磁敏傳感技術(shù)課件

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料(石英晶體和壓電陶瓷）的壓電效應(yīng)。是雙向傳感器。實(shí)現(xiàn)力與電荷的雙向轉(zhuǎn)換。第六章壓電磁敏傳感技術(shù)

可測(cè)與力相關(guān)的物理量，如各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)。在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。第一部分壓電傳感器一、壓電效應(yīng)某些電介質(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（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）,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)外力去掉后,其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象,稱為“正壓電效應(yīng)”。

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)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料,壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換。_y逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)+?明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料壓電材料可以分為兩大類:壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數(shù)有:（1）壓電常數(shù):壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù),它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù):壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件,其固有電容與介電常數(shù)有關(guān);而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中,其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根;它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）電阻壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏,從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。力與電荷的關(guān)系若從晶體上沿y方向切下一塊如圖所示晶片,當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí),在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷,其大小為qx=d11fx

式中:d11——x方向受力的壓電系數(shù);fx——作用力產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸無關(guān)?？v向壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)的物理解釋石英晶體sio2，3個(gè)硅離子Si4+離子,6個(gè)氧離子O2-。兩兩成對(duì)。微觀分子結(jié)構(gòu)為一個(gè)正六邊形。垂直于X軸端面有無數(shù)個(gè)此分子結(jié)構(gòu)。

（1）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,形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖a所示。P1+P2+P3=0。正負(fù)電荷中心重合，晶體垂直X軸表面不產(chǎn)生電荷。呈中性。（2）受x軸方向的壓力作用時(shí),晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖（b）所示,此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合,電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）<0。在x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷。

多晶體的壓電特性（1）壓電陶瓷的極化①未加電場(chǎng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí),電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。②加電場(chǎng)電疇方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),趨向于按外電場(chǎng)方向的排列,從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng),就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí),外電場(chǎng)去掉后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強(qiáng)度很大,這時(shí)的材料具有壓電特性。（2）壓電陶瓷力與電荷的關(guān)系當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí),電疇的界限發(fā)生移動(dòng),電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化,因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象,就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系(二)長(zhǎng)度變形(LE方式)利用石英品體的橫向壓電效應(yīng)，表面電荷的計(jì)算式為(三)面剪切變形(FS方式)X切晶片Y切晶片厚度剪切變形(TS方式)Y切晶片（四）彎曲變形(BS方式)它不是基本變形方式，而是拉、壓、切應(yīng)力共問作用的結(jié)果。根據(jù)具體俏況選擇合適的壓電常數(shù)。壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)。壓電元件受外力時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，壓電元件的開路電壓為：(a)電荷源壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。電壓源電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為：壓電式傳感器的測(cè)量電路

測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用：一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi),并用螺栓加以固定。

測(cè)量時(shí)，將底座與被測(cè)量加速度的構(gòu)件剛性地連接在一起，使質(zhì)量塊感受與構(gòu)件完全相同的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生加速度時(shí)，質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力F1，其方向與加速度方向相反，大小為F1＝ma。此慣性力與預(yù)緊力F0疊加后作用在壓電元件上，使得作用在壓電元件上的壓力F為：壓電元件上產(chǎn)生與加速度a對(duì)應(yīng)的電荷，即2、工作原理右圖給出了Q＝f(F)的函數(shù)關(guān)系為靜態(tài)工作點(diǎn)的電荷量與ma對(duì)應(yīng)的是電荷的增量工作時(shí)，將壓電元件產(chǎn)生的電荷輸出給電荷放大器，則電荷放大器的輸出電壓的增量

壓電式玻璃破碎報(bào)警器

檢測(cè)原理:它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。

檢測(cè)時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上,然后通過電纜和報(bào)警電路相連。帶通濾波使玻璃振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號(hào)通過，其它頻段的信號(hào)濾除。比較器作用是當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí),輸出報(bào)警信號(hào),驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如進(jìn)行聲光報(bào)警。

壓電式測(cè)力傳感器傳感器上蓋為傳力元件,當(dāng)外力作用時(shí),它將產(chǎn)生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。兩片石英晶體采用并聯(lián)方式，一根引線兩壓電片中間的金屬片上，另一端直接與上蓋相接。利用其縱向壓電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。電信號(hào)通過接頭輸出?？蓽y(cè)動(dòng)態(tài)力。注意：上蓋與石英