第1章 压电式传感器精选文档.ppt

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1、第1章 压电式传感器本讲稿第一页，共三十页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）机械能电能本讲稿第二页，共三十页（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：本讲稿第三页，共三十页 电性能参数一介电系数，电阻率

2、 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：本讲稿第四页，共三十页光轴电轴机械轴本讲稿第五页，共三十页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本讲稿第六页，共三十页本讲稿第七页，共三十页i-电荷方向j-受力方向Q=DF本讲稿第八页，共三十页石英晶体的压电特性：本讲稿第九页，共三十页只在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

3、。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 本讲稿第十页，共三十页（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。小磁畴本讲稿第十一页，共三十页PP0压电陶瓷的极化方向定义为 Z轴 压电系数：本讲稿第十二页，共三十页本讲稿第十三页，共三十页734

4、 压电晶片的串、并联 本讲稿第十四页，共三十页（1）并联 Q=2Q U=U C=2C（2）串联 C=Q/C=Q/2U=(1/2)C本讲稿第十五页，共三十页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）；真实介电常数（885 X 10-12Fm）。本讲稿第十六页，共三十页 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。本讲稿第十七页，共三十页(1)提高C：加大Ca+Cc+Ci(2)提高R：提高Ra、Ri本讲稿第十八页，共三十页

5、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 本讲稿第十九页，共三十页 设在压电陶瓷元件的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：本讲稿第二十页，共三十页实际输入电压Ui与理想情况的输入电压Uam之幅值比为：本讲稿第二十一页，共三十页 当1-被测量频率越高，特性就越好 1-特性就偏离理想情况 本讲稿第二十二页，共三十页本讲稿第二十三页，共三十页（2）电荷放大器 本讲稿第二十四页，共三十页（1+A）

6、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 本讲稿第二十五页，共三十页 压电式压力传感器 本讲稿第二十六页，共三十页（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 本讲稿第二十七页，共三十页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 本讲稿第二十八页，共三十页1-金属片3-压电片2-质量块本讲稿第二十九页，共三十页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 本讲稿第三十页，共三十页