第1章 压电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、第1章 压电式传感器第1页，共30页，编辑于2022年，星期日71 概 述 压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为敏感元件组成的传感器，它将被测量转换成电荷、产生静电电位差，是一种典型的双向有源传感器。72，压电效应及压电材料 721 压电效应（1）正压电效应 受力极化表面产生电荷去掉外力恢复原状（不带电状态）机械能电能第2页，共30页，编辑于2022年，星期日（2）逆压电效应在晶体电介质的极化方向施加电场 机械变形交变电场机械振动电能机械能722 压电材料（1）压电材料的主要特征参数 压电系数d：它是衡量材料压电效应强弱的参数，它的大小直接关系到压电输出灵敏度。弹性柔顺系数C：第3页，共3

2、0页，编辑于2022年，星期日 电性能参数一介电系数，电阻率 机电耦合系数：居里点：即压电材料开始丧失压电特性的温度。居里点越高，可得到越宽的工作温度范围。（2）压电材料 压电晶体-主要用石英晶体，即二氧化硅（SiO2）压电晶体压电陶瓷 压电半导体 基本组织：第4页，共30页，编辑于2022年，星期日光轴电轴机械轴第5页，共30页，编辑于2022年，星期日晶片电荷极性与受力方向关系：XFxFxlxlyXFxFxlxlyXFyFyXFyFy纵向压电效应横向压电效应第6页，共30页，编辑于2022年，星期日第7页，共30页，编辑于2022年，星期日i-电荷方向j-受力方向Q=DF第8页，共30页，

3、编辑于2022年，星期日石英晶体的压电特性：第9页，共30页，编辑于2022年，星期日只在Z轴方向作用力，不会在垂直于X、Y、Z轴的面上产生电荷，这因为d13、d23、d33皆为0。在垂直于Z轴的表面上不会出现电荷；这是因为d31、d32、d33、d34、d35、d36皆为0。有纵向压电效应例如在X轴方向作用法向力，会在X轴的垂直面上产生电荷。有横向压电效应 有剪切压电效应 第10页，共30页，编辑于2022年，星期日（3）压电陶瓷的压电特性 基本组织：多晶体压电材料，由许多不同取向的单晶组成每个单晶又包含许多电畴。在未经极化处理的原始压电陶瓷中，各个铁电畴的自发极化取向是不规则的，各个畴的首

4、尾相接。它们的极化效应被相互抵消，因此，原始的压电陶瓷内极化强度为零。小磁畴第11页，共30页，编辑于2022年，星期日PP0压电陶瓷的极化方向定义为 Z轴 压电系数：第12页，共30页，编辑于2022年，星期日第13页，共30页，编辑于2022年，星期日734 压电晶片的串、并联 第14页，共30页，编辑于2022年，星期日（1）并联 Q=2Q U=U C=2C（2）串联 C=Q/C=Q/2U=(1/2)C第15页，共30页，编辑于2022年，星期日74压电传感器的测量电路741 压电传感器的等效电路 S极板面积（m2）；t晶体厚度（m）；r压电晶体的相对介电常数（石英晶体为458）；真实介

5、电常数（885 X 10-12Fm）。第16页，共30页，编辑于2022年，星期日 Ra一包含压电片的泄漏、传感器的泄漏等综合反映出的绝缘电阻；Cc引线电缆的分布电容；Ri放大器的输入电阻；Ci放大器的输入电容。第17页，共30页，编辑于2022年，星期日(1)提高C：加大Ca+Cc+Ci(2)提高R：提高Ra、Ri第18页，共30页，编辑于2022年，星期日742 压电传感器的测量电路（1）把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出，以便带载。（2）放大压电式传感器输出的微弱信号。压电式传感器的前置放大器就有两个作用：（1）高阻电压放大器 第19页，共30页，编辑于2022年，星期日 设在压

6、电陶瓷元件的Z轴方向作用力F为角频率、幅值Fm的交变力，即FFmsint 在垂直于Z轴的表面产生的电压：幅值为：第20页，共30页，编辑于2022年，星期日实际输入电压Ui与理想情况的输入电压Uam之幅值比为：第21页，共30页，编辑于2022年，星期日 当1-被测量频率越高，特性就越好 1-特性就偏离理想情况 第22页，共30页，编辑于2022年，星期日第23页，共30页，编辑于2022年，星期日（2）电荷放大器 第24页，共30页，编辑于2022年，星期日（1+A）CF Ca+CF+CiU0=-Q/CF75 压电式传感器的应用 75 压电传感器的特点 压电式力传感器 第25页，共30页，编辑于2022年，星期日 压电式压力传感器 第26页，共30页，编辑于2022年，星期日（2）压电式加速度传感器 2-压电体1-压电体基座1 3-质量块4-螺母施加预压力 5-金属壳体起屏蔽作用 第27页，共30页，编辑于2022年，星期日2-压电体1-压电体基座1 3-质量块4-螺母施加预压力 5-金属壳体起屏蔽作用 第28页，共30页，编辑于2022年，星期日1-金属片3-压电片2-质量块第29页，共30页，编辑于2022年，星期日753 影响压电传感器性能的主要因素（1）横向干扰和横向灵敏度（2）环境温湿度影响（3）基座变形影响（4）噪声 第30页，共30页，编辑于2022年，星期日