1、傳感器原理和應(yīng)用，第六章壓電傳感器，傳感器原理和應(yīng)用，第六章壓電傳感器，主要內(nèi)容1。壓電效應(yīng)2 .壓電材料3。壓電元件結(jié)構(gòu)4。等效電路和測量電路5。壓電傳感器的應(yīng)用，傳感器原理和應(yīng)用，第六章壓電傳感器，概述壓電傳感器基于傳記介質(zhì)的壓電效應(yīng)，是通過外力作用在傳記介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)非定量測量的典型發(fā)展傳感器。壓電傳感器可以測量各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動，在音響、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面有廣泛的應(yīng)用。傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.1壓電效應(yīng)，部分介質(zhì)(晶體)牙齒在特定方向施加力變形，內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生符號相反電荷。外力移除后，返回未充電狀態(tài)。力的方向改變時，電荷的極性也發(fā)生變化。這

2、種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電現(xiàn)象是由于晶體的中心對稱不足而發(fā)生的，自然界32種晶體晶格中有中心對稱和不對稱，不對稱的21種中有20種有壓電效應(yīng)。傳感器原理及應(yīng)用，第六章壓電型傳感器，6.1壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)在可逆介質(zhì)極化方向施加電場時，電子介質(zhì)變形，將電力轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(逆壓電效應(yīng))的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以機(jī)械能機(jī)械能傳記能量，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.1石英鄭秀晶，自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但非常微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英鄭秀晶，鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛是一種優(yōu)秀的能源壓電材料。壓電材料可分為壓電晶體、壓電陶瓷兩類茄子。石英晶體外形結(jié)構(gòu)，石英晶體特征天然，人工均屬于

3、單晶化學(xué)式SiO2外形。不管多么小，六面體都會沿著每個方向的特征產(chǎn)生X(軸)作用，從而產(chǎn)生電荷，縱向壓強(qiáng)效應(yīng)稱為Y(機(jī)械軸)。水平壓電效應(yīng)不沿Z軸產(chǎn)生壓電效應(yīng)，而是傳感器原理和應(yīng)用，傳感器原理和應(yīng)用6.2壓電材料6.2.1石英鄭秀晶單晶(鄭秀晶)，電壓籌碼，沿特定方向切片，合成鄭秀晶，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.1石英鄭秀晶， 壓電元件受力后，表面電荷壓電系數(shù)d11可以用電荷大?。?1牙齒X方向應(yīng)力在Y軸方向施加力時晶體中的對稱壓電系數(shù)d12=-d11根據(jù)電荷大小： 2在Y方向應(yīng)力A，B在晶體切片幾何尺寸(長度，厚度)，壓電特性的各向異性可以用矩陣表示，傳感器原理

4、和應(yīng)用，第6章6.2壓力晶體沿X軸受到應(yīng)力時，X方向壓縮變形，X軸正向產(chǎn)生電偶極矩正電荷。晶體沿Y軸受到應(yīng)力時，在Y方向壓縮變形，在X軸正向電偶極矩產(chǎn)生負(fù)電荷。晶體沿Z軸受到應(yīng)力時，X，Y方向的變形相同不會產(chǎn)生壓力效果。應(yīng)力方向拉時，電荷極性與上述相反。傳感器原理和應(yīng)用，6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.1石英鄭秀晶，石英鄭秀晶壓電模型，傳感器原理和應(yīng)用，6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.1石英鄭秀晶，動畫演示彈性常數(shù)(動態(tài)特性)；介電常數(shù)機(jī)械耦合系數(shù)；電阻(密度)；居里點溫度。，傳感器原理及應(yīng)用，第六章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.2壓電陶瓷(沒有多晶電場時，電在晶體中分布雜亂，

5、極化徐璐抵消，中性)。傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.2壓電晶體，施加外部電場時，電場的極化方向旋轉(zhuǎn)，以外部電場方向排列。外部電場強(qiáng)度達(dá)到飽和時，所有電場都與外部電場一致。去除外部電場后，傳記極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。因此，壓電陶瓷在極化后才具有壓電特性，在不極化的情況下是非壓電體。傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.2壓電陶瓷(多晶體)，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.2壓電材料6 . 2 . 2 . 2壓電陶瓷(多晶體)電荷的大小與外力成正比電荷密度：d33壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)，d33隨著時間的推移(2年后)，d33牙齒減

6、少，用作傳感器時需要經(jīng)常校準(zhǔn)。傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.2壓電材料6.2.3聚偏氟乙烯壓電材料，聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)，石英和壓電陶瓷是高性能壓電材料，但有密度、硬、易碎、耐沖擊性、難加工的常見缺點，PVF2、PVDF材料克服了牙齒缺陷，輕、軟壓電材料，在這種材料分子鏈中，CF鍵具有極性，有一定的偶極矩，一般而言，晶體細(xì)胞內(nèi)的極矩會徐璐抵消整體的極性，沒有壓電效應(yīng)。經(jīng)過特殊處理才能達(dá)到良好的壓電效果。經(jīng)過伸展，偏振過程。傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.3壓電元件結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，經(jīng)常同時使用兩個、四個壓電元件，使表面有足夠的電荷。壓電材料具有極性，因此有連接

7、方法。雙連接時：U，-連接時將電路串行電壓加倍適用于電壓放大器，-連接時將電路并行電荷加倍適用于電荷放大器。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器如果在電容Ca的電容器極板上聚集Q電荷，則極板之間的電壓為：等效電容：傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.4等效電路和測量電路6.4.1壓電傳感器等效電路，等效電壓源，等效電流源，傳感器測量電路時，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.4.1等效電路和測量電路6 . 4 . 1壓電傳感器等效電路，等效電子電路壓電傳感器靈敏度，有兩種傳感器原理和應(yīng)用節(jié)目6

8、.4等效電路和測量電路6.4.1壓電傳感器等效電路，等效電路標(biāo)記，只有在負(fù)載RL(無漏電)下受力產(chǎn)生的電荷Q才能長期保存。 否則放電電路很快就會釋放電荷，所以測量頻率低的時候，要確保RL牙齒大。RLCa=足夠大。壓電元件內(nèi)部電阻高需要前端電路高輸入阻抗。前電路兩種茄子的作用之一是放大弱信號，第二種是阻抗轉(zhuǎn)換可能是電壓源或電荷源，具體取決于等效的電路壓電元件輸出。因此，前置放大器包括電壓放大器、電荷放大器、傳感器原理和應(yīng)用、第6章壓電傳感器、6.4等效電路和測量電路6.4.2測量電路、傳感器原理和應(yīng)用、第6章壓電傳感器、6.4等效電路和測量電路6.如果壓電元件沿軸變成正弦作用力，則產(chǎn)生的電荷和電

9、壓也將正弦變化：理想輸入電壓振幅，輸入的實際振幅(有效值)，D壓電系數(shù)信號頻率R=Ra/Ri，相位差，傳感器原理和應(yīng)用，第6章電壓傳感器，傳感器電壓靈敏度，前放大器的實際輸入電壓和理想前放大器輸入電路的時間常數(shù)如下。相對振幅和相位頻率特性分別為：理想、實際、傳感器原理和應(yīng)用、6章電壓傳感器、6.4等效電路和測量電路6.4.2測量電路3時輸入與信號頻率無關(guān)，高頻響應(yīng)特性好，優(yōu)點在于。提高低頻響應(yīng)的方法是加大的，但依靠輸入電容Ca渡邊杏。因為電壓靈敏度是電容反比。實際上是增加前端輸入電路電阻Ri。從傳感器電壓靈敏度Ku中可以看出，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時需要重新校準(zhǔn)更換電纜，

10、測量系統(tǒng)對電纜長度的變化很敏感，這是電壓放大器的缺點。傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，6.4等效電路和測量電路6.4.2測量電路，電壓放大器示例：阻抗轉(zhuǎn)換電路，有用管高阻抗匹配的放大啟動反饋電路(從動件)。場效應(yīng)管偏置通過R1、R2分壓、Rg耦合。觀察Rg的兩端電壓，通過C1向Rg連接的A端發(fā)送信號。由于遵循場效應(yīng)管，S(源)G(澆口)之間的電壓幾乎相同，相位相同。信號通過C2耦合到Rg的B側(cè)，這意味著Rg兩端的電壓幾乎相同，Rg的電流很小，因此阻抗效應(yīng)管的輸入開關(guān)沒有因為分壓電路而減少。傳感器原理和應(yīng)用、第六章壓電傳感器、6.4等效電路和測量電路6.4.2測量電路(2)電荷放大器、電纜分

11、布電容Cc可以利用電荷放大，解決對傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差的缺點，由集成運算放大器組成的電荷放大器具有較好的性能。電荷放大器是輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。作為反饋因素的電容使用深度負(fù)反饋高增益運算。輸出電壓：壓電傳感器的輸入電路反饋電容Cf和高增益運算放大器配置。計算輸入阻抗高度，幾乎沒有分流，因此如果滿足Ra、Ri并行電阻、傳感器原理和應(yīng)用節(jié)目、第6章壓電傳感器、6.4等效電路和測量電路6.4.2測量電路(2)電荷放大器、工作頻率足夠高(RfXc)、忽略A 1牙齒，通常A=104108 (1a) cf ca ci cc討論：電荷放大器的輸出電壓U0僅取決于輸入電荷Q和反饋電

12、容cf，輸出電壓與電纜電容cc無關(guān)，與Q成正比，與電容Cf成反比是電荷放大器的顯著優(yōu)點。 考慮不同范圍的Cf容量，創(chuàng)建可供選擇的電容(通常為100104pF)。缺點是復(fù)雜的電路、昂貴的價錢、使用電荷放大器、電纜長度變化的影響可以忽略，可以使用長電纜工作。，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，65壓電傳感器的應(yīng)用，1壓電鄭秀晶振蕩器；壓電力傳感器3壓電加速規(guī)傳感器；4壓電玻璃破碎報警；5血壓測量；6壓電換能器、發(fā)射(喇叭)、接收(麥克風(fēng))、聽者、超聲波轉(zhuǎn)換器7新型壓電材料(聚偏氟乙烯)、傳感器原理和應(yīng)用、第6章壓電傳感器、65壓電傳感器的應(yīng)用、壓電壓力傳感器、壓電晶體夾在兩個隔膜之間，壓電晶體夾

13、在振動中但是靈敏度也渡邊杏了一半。具有加速度補償?shù)膲毫鞲衅鳎瑐鞲衅髟砗蛻?yīng)用，第六章壓力傳感器，65章壓力傳感器的應(yīng)用，壓力加速度傳感器，傳感器原理和應(yīng)用，第六章壓力傳感器，65壓力傳感器的應(yīng)用，壓力玻璃粉碎警報，傳感器原理和應(yīng)用；傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，65壓電傳感器的應(yīng)用，傳感器原理和應(yīng)用，第6章壓電傳感器，65壓電傳感器的應(yīng)用PVF2，PVDF材料可以很好地克服牙齒缺陷，使其成為輕便柔軟的壓電元件。PVF2聚合物乙烯(PVF2)是優(yōu)秀的熱塑性工程塑料，密度小、靈活，具有高壓力效應(yīng)，比石英低10倍，比壓電陶瓷低10倍。材料輕柔，根據(jù)需要切成薄片，可以移植到人體。硬幣計數(shù)傳感器、傳感器原理和應(yīng)用，第六章壓電傳感器、65壓電傳感器的應(yīng)用，在麥克風(fēng)上，壓電膜以一定的支撐形式保持膜內(nèi)的一定張力。在外來聲壓作用下，膜面曲率發(fā)生變化，最小應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生相