傳感器與檢測技術項目式教程項目13-壓電式振動傳課件

項目13壓電式振動傳感器的安裝與測試項目描述本項目安裝并測試一臺壓電式振動傳感器。壓電式傳感器其有靈敏度高、頻帶寬、質量輕、體積小、工作可靠等優(yōu)點，隨著電子技術的發(fā)展，與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。知識和能力目標；掌握壓電效應概念。了解壓電式傳感器的性能、特點。熟悉壓電元件的連接方式。能分析由壓電傳感器組成檢測系統(tǒng)的工作原理，正確應用和維護壓電傳感器。一、認識壓電效應及壓電材料

（一）

壓電效應1.壓電效應的概念某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，其內部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。

2．壓電效應原理具有壓電效應的物質很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等?，F(xiàn)以石英晶體為例，簡要說明壓電效應的機理（1）在無外力作用時，硅離子所帶的正電荷等效中心與氧離子所帶負電荷的等效中心是重合的，整個晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象，如圖8-4（a）所示。（2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，如圖8-4（b）所示。硅離子的正電荷中心上移，氧離子的負電荷中心下移，正負電荷中心分離，在晶體的x面的上表面產(chǎn)生正電荷，下表面產(chǎn)生負電荷而形成電場。反之，如果受到拉力作用時，情況恰好相反，x面的上表面產(chǎn)生負電荷，下表面產(chǎn)生正電荷。如果受到的是交變力，則在x面的上下表面間將產(chǎn)生交變電場。如果在x上下表面鍍上銀電極，就能測出所產(chǎn)生電荷的大小。（3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時，也會產(chǎn)生晶格變形，如圖8-4（c）所示。硅離子的正電荷中心下移，氧離子的負電荷中心上移，在x面的上表面產(chǎn)生負電荷，在x面的下表面產(chǎn)生正電荷，這個過程恰好與x軸方向受壓力時的情況相反。（4）當晶體的光軸（z軸）方向受到受力時，由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應。在晶體的彈性限度內，在x軸方向上施加壓力Fx上時，x面上產(chǎn)生的電荷為

Q=d11Fx （8-1）式中，d11為壓電常數(shù)。在y軸方向施加壓力時，在x面上產(chǎn)生的電荷為

Q=d12Fy=-d11Fy

（8-2）式中，l、δ分別為石英晶片的長度與厚度。（二）壓電材料1.壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)有如下幾個。（1）壓電常數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它直接關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態(tài)特性。（3）介電常數(shù)對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機械耦合系數(shù)在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數(shù)。（5）絕緣電阻電阻壓電材料的絕緣電阻能減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點2.常用壓電材料（1）石英晶體它的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)與壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，且居里點高，達到575℃（即到575℃時，石英晶體將完全喪失壓電性質）。此外，它還具有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能，絕緣性能好、動態(tài)響應快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點。但石英晶體的壓電常數(shù)?。╠11=2.31×1012C/N），靈敏度低，且價格較貴，所以只在標準傳感器、高精度傳感器或高溫環(huán)境下工作的傳感器中作為壓電元件使用。石英晶體分為天然與人造晶體兩種。（2）壓電陶瓷壓電陶瓷的壓電系數(shù)很高，具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成型等特點，制造成本很低。因此，在實際應用中的壓電傳感器，大多采用壓電陶瓷材料。壓電陶瓷的弱點是，居里點較石英晶體要低200~400℃，性能沒有石英晶體穩(wěn)定。但隨著材料科學的發(fā)展，壓電陶瓷的性能正在逐步提高。常用的壓電陶瓷材料有以下幾種：①鈦酸鋇壓電陶瓷（BaTiO3）常用的壓電陶瓷材料有以下幾種：①鈦酸鋇壓電陶瓷（BaTiO3）

②鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）③鈮酸鹽系列壓電陶瓷④鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN）（3）高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜二、壓電式傳感器測量電路（一）壓電式傳感器的等效電路壓電元件的等效電路壓電元件實際的等效電路圖1.電荷放大器2.電壓放大器（阻抗變換器）項目實施

三、壓電式振動傳感器的安裝與測試通過本實訓項目學習使大家進一步了解壓電傳感器的測量振動的原理和方法。本實訓項目需用器件與單元：轉動、振動源模塊、壓電傳感器、移相/相敏檢波/低通濾波器模塊、壓電式傳感器實訓模塊、雙線示波器。如圖13-11所示。(a)壓電傳感器(b)移相/相敏檢波/低通濾波器模塊(c)壓電式傳感器實訓模塊(g)雙線示波器實訓步驟：1．首先將壓電傳感器裝在振動源模塊上，壓電傳感器底部裝有磁鋼，可和振動盤中心的磁鋼相吸。2．將低頻振蕩器信號接入到振動源的低頻輸入源插孔。3將壓電傳感器輸出兩端插入到壓電傳感器實訓模塊兩輸入端，按圖13-12連接好實訓電路，壓電傳感器黑色端子接地。將壓電傳感器實訓模塊電路輸出端Vo1（如增益不夠大，則Vo1接入IC2，Vo2接入低通濾波器）接入低通濾波器輸入端Vi，低通濾波器輸出Vo與示波器相連。圖13-12壓電式傳感器性能實驗接線圖4.合上主控箱電源開關，調節(jié)低頻振蕩器的頻率與幅度旋鈕使振動臺振動，觀察示波器波形。5.改變低頻振蕩器頻率，觀察輸出波形變化。6.用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形。項目拓展

四、壓電式傳感器的應用（一）壓電傳感器的基本連接壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)接法壓電片的并聯(lián)連接電路圖1.壓電式力傳感器（二）壓電傳感器的應用2.壓電式加速度傳感器

3.聲振動報警器項目小結通過本項目的學習主要給大家介紹了壓電效應和逆壓電效應的概念、常用的壓電材料以及壓電傳感器的應用。1.某些電介質，當沿著一定方向對它施加壓力時，內部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生相反的電荷；當外力去掉后，電介質又重新恢復為不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應。相反，當在電介質極化方向施加電場,這些電介質也會產(chǎn)生變形,這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。元件上的電荷是有極性的，因此接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。2.在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應,但壓電效應十分微弱。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化