第六章 壓電傳感器.ppt

1、2020/8/2,1,本章學(xué)習(xí)壓電傳感器 的原理、應(yīng)用及振動(dòng)頻譜分析。,第六章 壓電傳感器,2020/8/2,2,第一節(jié) 壓電傳感器的工作原理,壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。,2020/8/2,3,一、壓電效應(yīng),天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割

2、出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比 ，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng) 。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。 若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。,2020/8/2,4,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；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漏、消失。,2020/8/2,5,二、壓電材料的分類(lèi)及特性,壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類(lèi)： 一類(lèi)是壓電晶體（如上述的石英晶體）；

3、 另一類(lèi)是 經(jīng)過(guò)極化處理的 壓電陶瓷；第三類(lèi)是高分子壓電材料。,2020/8/2,6,（一）石英晶體,天然形成的石英晶體外形,2020/8/2,7,天然形成的石英晶體外形（續(xù)）,2020/8/2,8,石英晶體切片及封裝,石英晶體薄片,雙面鍍銀并封裝,2020/8/2,9,石英晶體振蕩器（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,2020/8/2,10,（二）壓電陶瓷,壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列

4、壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷 （如BaTiO3等）。,2020/8/2,11,壓電陶瓷外形,2020/8/2,12,無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）,2020/8/2,13,高分子壓電薄膜及拉制,2020/8/2,14,（三）高分子壓電材料,典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。,2020/8/2,15,高分子壓電材料制作的

5、壓電薄膜和電纜,2020/8/2,16,可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板,2020/8/2,17,壓電式腳踏報(bào)警器,2020/8/2,18,高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）,2020/8/2,19,第二節(jié) 壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很小：,電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。,2020/8/2,20,四通道電荷放大器外形,.,2020/8/2,21,上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）,靈 敏 度：0.11000mV/pC頻率范圍：0.3100KHz 噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5V準(zhǔn) 確 度：1%最大輸出：10V/10mA電源：220V/50Hz 控制方式：計(jì)算機(jī)或手動(dòng),焊接式 電荷放大器,2020/8/2,22,超小型電荷放大器模塊,主要指標(biāo):靈 敏 度：1、10、100mV/pC(任選一檔)頻率范圍：0.3100KHz(上、下限可選)噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV歸 一 化：外接電阻調(diào)整線(xiàn)性誤差：1%最大輸出：5V或10V電源：6V15V 特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng),2020/8/2