第6章 壓電式傳感器與動態(tài)檢測 教案

《傳感器與檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學生人數(shù)：授課教師：課題：6.1壓電效應、6.2壓電材料及其特性課時安排：2授課類型：理論重難點重點壓電傳感器的工作原理難點壓電式傳感器的檢測機理教學目的和要求1．熟悉壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及種類；2．熟悉壓電式傳感器的測量原理及應用；3．了解壓電式傳感器的特性與技術(shù)參數(shù)；采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教學內(nèi)容6.1壓電效應6.1.1正壓電效應和逆壓電效應某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應。圖6-1正壓電效應示意圖圖6-2逆壓電效應示意圖圖6-3壓電效應的可逆性6.1.2石英晶體的壓電效應石英晶體是最典型而常用的壓電晶體。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”；把沿機械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應，稱為“橫向壓電效應”。作用力為剪切力時稱為“切向壓電效應”。圖6-5石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖圖6-6石英晶體壓電效應示意圖若從晶體上沿y方向切下一塊如圖6-7所示的晶片，當沿電軸x方向施加壓力Fx時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。產(chǎn)生的電荷：d11——壓電系數(shù)。下標的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；圖6-7石英晶體切片若在同一切片上，沿機械軸y方向施加壓力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為:d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=-d12，則：石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如圖6-8所示圖6-8石英晶體受力方向與電荷極性示意圖6.1.3壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。（a）未極化（b）極化（c）剩余極化圖6-9壓電陶瓷的極化壓電陶瓷在極化方向上壓電效應最明顯，定義為Z軸，垂直于z軸的任何直線都可作為X軸或Y軸。當壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會出現(xiàn)電荷:式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；Fz——作用力。壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負電荷：式中：Az——極化面面積；Ax、Ay——受力面面積；d32、d31——壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)。圖6-10壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高。石英晶體溫度與時間的穩(wěn)定性以及材料之間的一致性遠優(yōu)于壓電陶瓷。6.2壓電材料及其特性壓電式傳感器中壓電元件的材料選用，應考慮以下幾方面的特性。（1）轉(zhuǎn)換性能。（2）機械性能。（3）電性能。（4）溫度性能。（5）長期穩(wěn)定性。6.2.1石英晶體石英晶體的主要性能特點如下：（l）壓電系數(shù)小，但其時間和溫度穩(wěn)定性極好。常溫下幾乎不變。（2）機械強度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好。（3）居里點為573℃。（4）無熱釋電性，且絕緣性、重復性均好。6.2.2壓電陶瓷常見的壓電陶瓷主要有以下幾種：1.鈦酸鋇壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點溫度低（120℃），使用溫度較低，最高只有70℃，溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2.鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點溫度在300℃以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。有更高的壓電系數(shù)和工作溫度，是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。3．鈮酸鹽系壓電陶瓷鉭鈮酸鉛具有很高的居里點和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點為435℃，常用于水聲傳感器中。4．鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)具有較高的壓電系數(shù)和居里點，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。6.2.3新型壓電材料新型壓電材料主要有壓電半導體和高分子壓電材料兩種。1.壓電半導體特點是：既具有壓電特性，又具有半導體特性。用壓電半導體制成的力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可進行力和溫度的檢測。2.高分子壓電材料高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。（1）高分子聚合物壓電薄膜，經(jīng)延展拉伸和電極化后成為具有壓電性的高分子壓電薄膜。特點是質(zhì)輕柔軟，抗拉強度高，蠕變小，耐沖擊，熱釋電性和熱穩(wěn)定性好，且便于批量生產(chǎn)和大面積使用，可制成大面積陣列傳感器乃至人工皮膚。（2）復合高分子壓電薄膜，是在高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜，既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電性和機電耦合系數(shù)。作業(yè)布置P1136-7、6-8、6-9

課程性質(zhì)：班級名稱：學生人數(shù)：授課教師：課題：6.3壓電傳感器的測量電路6.4壓電傳感器的應用課時安排：2授課類型：理論重難點重點壓電式傳感器測量電路和應用難點壓電式傳感器測量轉(zhuǎn)換電路教學目的和要求1．學會合理選用壓電式傳感器構(gòu)成檢測電路；2.了解壓電式傳感器的典型應用。采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教學內(nèi)容6.3壓電傳感器測量電路6.3.1壓電傳感器等效電路壓電傳感器可看作是一個電荷發(fā)生器，如圖6-14(a)圖所示。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖6-14(b)圖所示。其電容量為：當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為：圖6-14壓電傳感器的等效電容因此壓電式傳感器既可以等效成一個電荷源與一個電容并聯(lián)的形式，如圖6-15(a)所示。也可以等效為一個電容與一個電壓源串聯(lián)的形式，如圖6-15(b)所示。電荷源(b)電壓源圖6-15壓電式傳感器等效電路實際使用時，壓電傳感器通過導線與測量儀器相連接，連接導線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對電路的影響就必須一起考慮進去。當考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖6-16所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。圖6-16壓電傳感器的完整等效電路（a）電壓源;（b）電流源6.3.2壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)在實際應用中，常常將兩片或兩片以上的壓電晶片粘結(jié)在一起，可提高壓電式傳感器的靈敏度。晶片連接的方法有兩種。即并聯(lián)和串聯(lián)。如圖6-17所示。圖6-17壓電元件的連接方式(1)壓電元件的串聯(lián)圖6-18壓電元件的串聯(lián)(2)壓電元件的并聯(lián)圖6-19壓電元件的并聯(lián)串聯(lián)接法時，輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓輸出的信號和測量電路輸入阻抗很高的情況。并聯(lián)接法時，電荷輸出大，本身電容也大，因而時間常數(shù)大，故適用于測量緩慢變化信號，并以電荷作為輸出的情況。6.3.3基本測量電路1、電壓放大器圖6-20壓電傳感器接電壓放大器電路原理圖及等效電路（a）放大器電路;（b）等效電路2、電荷放大器圖6-21壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路圖6-22電荷放大器簡化等效電路6.4壓電傳感器的應用6.4.1壓電式動態(tài)力傳感器圖6-23YDS-78型壓電式單向動態(tài)力傳感器示意圖或這時，力傳感器的輸出電荷Q與被測力Fz成正比。壓電式力傳感器最廣泛的應用是進行動態(tài)力的測量。如圖6-26所示為一種用于機床動態(tài)切削力測量的壓電式力傳感器的工作過程示意圖。圖（a）安裝位置示意圖（1-壓電傳感器，2-刀架，3-刀具，4-工件）圖（b）車床動態(tài)切削力測量原理圖6-26壓電式力傳感器在車床動態(tài)切削力測量中的應用6.4.2壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的特點是量程大、頻帶寬、安裝簡單、適用于各種惡劣環(huán)境、體積小、重量輕。廣泛應用于振動沖擊測試、信號分析、故障診斷，振動校準等方面。目前壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)型式主要有壓縮型、剪切型和復合型三種。圖6-27壓電式加速度傳感器實物圖圖6-28壓電式加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為：q=d33測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。6.4.3壓電式壓力傳感器1123456p圖6-29壓電式壓力傳感器工作原理示意圖壓電式壓力傳感器必須通過彈性膜片等，把壓力轉(zhuǎn)換成力，再傳給壓電元件。6.4.4壓電式傳感器的其他應用1、壓電式聲傳感器壓電式聲傳感器的基本原理是利用壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應。圖6-30壓電陶瓷換能器的結(jié)構(gòu)示意圖2、壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量?！ぁち髁匡@示1655輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射圖6-31壓電式流量計示意圖此流量計安裝在管道外側(cè)，不與所測流體直接接觸，因此不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響，可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。3、壓電傳感器用于交通監(jiān)測將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以：用于監(jiān)測車速、獲取車型分類信息、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集等。作業(yè)布置6-1、6-2、6-3、6-4、6-5

課程性質(zhì)：班級名稱：學生人數(shù)：授課教師：課題：實驗九壓電式傳感器的動態(tài)響應課時安排：2授課類型：實訓課重難點重點壓電式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應用。難點壓電式傳感器的原理及應用。教學目的和要求了解壓電式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應用。采用教學方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實驗臺教學內(nèi)容一、實驗原理壓電式傳感器的測試原理二、實驗器材低頻振蕩器、電荷放大器、低通濾波器、單芯屏蔽線、壓電傳感器、雙線示波器、振動源、轉(zhuǎn)速／頻率表、電源、振動平臺。低頻振蕩器的幅度旋鈕置于最小檔，轉(zhuǎn)速／頻率表撥置于頻率檔。三、實驗步驟1．觀察壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖S9.1接線，將壓電式傳感器，電荷放大器，低通濾波器，雙線示波器連接起來，組成一個測量線路。圖S9.1接線參考圖2．將低頻振蕩器的輸出端與頻率表的輸入端及振動