第六章压电式传感器优秀PPT.ppt

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1、第六章压电式传感器第六章压电式传感器第一页，本课件共有55页压电式传感器是一种有源的双向机电传感器有源的双向机电传感器。工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：基于压电材料的压电效应。特点：特点：特点：特点：使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻及测量范围广等优点。应用：应用：测量加速度、压力、位移、温度、湿度等。第二页，本课件共有55页 6.1 6.1压电效应及压电效应及压电材料压电材料正正压压电电效效应应（顺顺压压电电效效应应）：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在

2、它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复不不带带电电状状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消消失失的现象。的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应第三页，本课件共有55页1.1.

3、正压电效应演示正压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。第四页，本课件共有55页 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）2.逆压电效应逆

4、压电效应第五页，本课件共有55页压电材料：压电材料：压电材料：压电材料：具有压电效应的材料 石英晶体石英晶体 压电效应弱，性能稳定分类分类 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷 压电效应强，性能稳定性差 高分子压电材料高分子压电材料 新型压电材料压电传感器大多是利用压电材料的压电效应（在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）压电材料压电材料第六页，本课件共有55页压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和

5、大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。第七页，本课件共有55页 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，石英晶体时，石英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。将完全失去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和石

6、英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。1.石英晶体石英晶体第八页，本课件共有55页石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地

7、选择石英片的切型。第九页，本课件共有55页石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形第十页，本课件共有55页石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装第十一页，本课件共有55页2.压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（压电陶瓷（PZT）及）及非

8、铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。第十二页，本课件共有55页压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛）和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（倍）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。和机械强度不如石英晶体。第十三页

9、，本课件共有55页 2.锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在点温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器材料。因此锆钛酸

10、铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。中应用最广泛的压电材料。第十四页，本课件共有55页压电陶瓷外形 第十五页，本课件共有55页无铅压电陶瓷及其换能器外形 第十六页，本课件共有55页1.1.压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料 压电半导体材料有压电半导体材料有ZnO、CdS、ZnO、CdTe等，这种力敏器件等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。器的压电材料，可检测力和温度等参数。新型压电材料新型压电材料2.2.高分子压电材料高分子压

11、电材料高分子压电材料高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸谷氨酸脂脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。大量生产和制成较大的面积。第十七页，本课件共有55页高分子压电材料制作的压电

12、薄膜和电缆 第十八页，本课件共有55页 石英晶体的压电效应机理石英晶体的压电效应机理 天天然然结结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体，在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示，其其中中纵纵向向轴轴ZZ称称为为光光轴轴；经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的XX轴轴称称为为电电轴轴；与与XX轴轴和和ZZ轴轴同同时时垂垂直直的的YY轴轴（垂垂直于正六面体的棱面）称为直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX 通常把沿电轴通常把沿电轴XX方方向

13、的力作用下产生电荷的向的力作用下产生电荷的压电效应称为压电效应称为“纵向压电纵向压电效应效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电荷的压电效应称为“横横向压电效应向压电效应”，沿光轴，沿光轴ZZ方向受力则方向受力则不产生压电不产生压电效应效应。第十九页，本课件共有55页 作用力与电荷的关系作用力与电荷的关系（a a）y yx xz zO Ox xb bz zy ya ac c（b b）若从晶体上沿沿y y方方向向切下一块如图所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力 x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P P11与

14、应力 x成正比。通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。第二十页，本课件共有55页石英晶体受力方向与电荷极性关系石英晶体受力方向与电荷极性关系第二十一页，本课件共有55页极化强度即：极化强度即：d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；a、c石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度将以上两式联立，得第二十二页，本课件共有55页 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力y，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 根

15、据石英晶体轴对称条件：d11=-d12，则：第二十三页，本课件共有55页 当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向的压力作用时，qx只与作用力只与作用力F Fx成正比，成正比，而与晶片的几何尺寸无关；而与晶片的几何尺寸无关；沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；寸有关的；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；存在逆压电效应；无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷

16、无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论结论第二十四页，本课件共有55页 压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电电材材料料。材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始的压电陶瓷呈始的压电陶瓷呈中性中性，不具有压电性质。，

17、不具有压电性质。压电陶瓷的压电效应机理压电陶瓷的压电效应机理第二十五页，本课件共有55页 在陶瓷上在陶瓷上施加外电场施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化极化。外。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方

18、向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。才具有压电特性。当极化后的铁电体受到外力的作用时，其剩余极化强当极化后的铁电体受到外力的作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，在一定的表面分别产生正负电荷。压度将随之发生变化，在一定的表面分别产生正负电荷。压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显，定义为电陶瓷在极化方向上压电效应最明显，定义为Z轴，垂直于轴，垂直于z轴的任何直线都可作为轴的任何直线都可作为X轴或轴或Y轴。轴。第二十六页，本课件共有55页压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a)(a)未极化未极化;(b);(b)电极化电极化 第二十

19、七页，本课件共有55页 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量q与作用力Fz成正比，即式中：d33 压电陶瓷的压电系数；Fz作用力。第二十八页，本课件共有55页压电陶瓷在受到沿y方向的作用力F Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、F Fx也成正比，即式中A z极化面面积；Ax、A y受力面面积；d32、d31压电陶瓷的横向压电系数第二十九页，本课件共有55页 压压电电陶陶瓷瓷的的

20、压压电电系系数数比比石石英英晶晶体体的的大大得得多多，所所以以采采用用压压电电陶陶瓷瓷制制作作的的压压电电式式传传感感器器的的灵灵敏敏度度较较高高。极极化化处处理理后后的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料的的剩剩余余极极化化强强度度和和特特性性与与温温度度有有关关，它它的的参参数数也也随随时时间间变变化化，从从而使其压电特性减弱。而使其压电特性减弱。第三十页，本课件共有55页6.2 压电式传感器的测量电路 等效电路：当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体

21、的电容器，如图(b)。q电极压电晶体(a)qCa(b)压电传感器的等效电路当两极板聚集异性电荷时，当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，则两极板呈现一定的电压，其大小为其大小为其电容量为第三十一页，本课件共有55页二、测量转换电路二、测量转换电路 1压电元件的等效电路压电元件的等效电路a为电荷等效电路为电荷等效电路 b为电压等效电路为电压等效电路 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，

22、因此压因此压电式传感器不能用于静态测量。电式传感器不能用于静态测量。注意第三十二页，本课件共有55页 压压电电传传感感器器可可等等效效为为电电压压源源Ua和和一一个个电电容容器器Ca的的串串联联电电路路，如如图图(a)；也也可可等等效效为为一一个个电电荷荷源源q和和一一个个电电容容器器Ca的的并联并联电路，如图电路，如图(b)。qCaUaUaq/Caq UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路压电传感器等效电路 传传感感器器内内部部信信号号电电荷荷无无“漏漏损损”，外外电电路路负负载载无无穷穷大大时时，压压电电传传感感器器受受力力后后产产生生的的电电压压或或电电荷荷才才能能长长期期保保

23、存存，否否则则电电路路将将以以某某时时间间常常数数按按指指数数规规律律放放电电。这这对对于于静静态态标标定定以以及及低低频频准准静静态态测测量量极极为为不不利利，必必然然带带来来误误差差。事事实实上上，传传感感器器内内部部不不可可能能没没有有泄泄漏漏，外外电电路路负负载载也也不不可可能能无无穷穷大大，只只有有外外力力以以较较高高频频率率不不断断地地作作用用，传传感感器器的的电电荷荷才才能能得以补充，因此，压电晶体得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量不适合于静态测量。第三十三页，本课件共有55页如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑则应考虑连线

24、的等效电容连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。前置放大器的输入电阻、输入电容。压电传感器的完压电传感器的完整等效电路整等效电路Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻 可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。相应测量电路也应有较大的时间常数，即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信

25、号电荷将也会通过输入电路泄漏，即产生测量误差。第三十四页，本课件共有55页 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：u把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；u放大压电式传感器输出的弱信号放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：前置放大器形式：u电电压压放放大大器器，其其输输出出电电压压与与输输入入电电压压（传传感感器器的的输输出出电电压压）成正比；成正比；u电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。，其输出电压与输入电荷成正比。1 1、电压放大器、电压放大器 第三十五页，本课件共有55页图（图（b）中，等

26、效电阻）中，等效电阻R为为Fm作用力的幅值作用力的幅值压电元件所受作用力压电元件所受作用力C=Cc+Ci等效电容为等效电容为若若压压电电元元件件材材料料是是压压电电陶陶瓷瓷，其其压压电电系系数数为为d33，则则在在外外力力作作用用下下，压电元件产生的电压值为压电元件产生的电压值为 Um电压幅值电压幅值 由图由图(b)可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为，其复数形式为而而第三十六页，本课件共有55页Ui的幅值的幅值Uim为为输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为令令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数，并令为测量回路的时间常数，并令0=1

27、/，则可得，则可得可可见见，如如果果/01，即即作作用用力力变变化化频频率率与与测测量量回回路路时时间间常常数数的的乘乘积积远远大大于于1时时。前前置置放放大大器器的的输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关。一一般般认认为为/03，可可近近似似看看作作输输入入电电压压与与作作用用力力频频率率无无关关。这这说说明明，在在测测量量回回路路时时间间常常数数一一定定的的条条件件下下，压压电电式式传传感感器器具具有有相相当当好好的的高高频频响应特性。响应特性。第三十七页，本课件共有55页 但但是是，当当被被测测动动态态量量变变化化缓缓慢慢，而而测测量量回回路路时时间间常常数数不不大大时时，会会造造成

28、成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降，因因而而要要扩扩大大工工作作频频带带的的低低频频端端，就就必必须须提提高高测测量量回回路路的的时时间间常常数数。但但是是靠靠增增大大测测量量回回路路的的电电容容来来提提高高时时间间常常数数，会会影影响响传传感感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得的定义得因为因为R1，故上式可以近似为，故上式可以近似为可可见见，Ku与与回回路路电电容容成成反反比比，增增加加回回路路电电容容必必然然使使Ku下下降降。为为此此常常将将Ri很很大大的的前前置置放放大大器器接接入入回回路路。其其输输入入内内阻阻越越大大，测测量量回回路路时时间间

29、常常数数越越大大，则则传传感感器器低低频频响响应应也也越越好好。当当改改变变连连接接传传感感器器与与前前置置放放大大器器的电缆长度时的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。第三十八页，本课件共有55页压电式传感器不能测量静态量;不能随意更换电缆,将改变传感器的灵敏度。传感器灵敏度当 ,电压与作用力的频率无关,高频响应好;第三十九页，本课件共有55页 2 2、电荷放大器、电荷放大器 电电荷荷放放大大器器是是一一个个具具有有深深度度负负反反馈馈的的高高增增益益放放大大器器，其其基基本本电电路路如如图图。若若放放大大器器的的开开环环增增益益A0足足够够大大，并并且

30、且放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗很很高高，则则放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，运运算算电电流流仅仅流流入入反反馈馈回回路路CF与与RF。第四十页，本课件共有55页图中A为运算放大器增益。由于运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流。由运算放大器基本特性,可求出电荷放大器的输出电压第四十一页，本课件共有55页通常A=104106,因此若满足（1+A）CfCa+c+Ci时,式（6-2）可表示为Uo-由式（6-13）可见,电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关,且与q成正比,这是电荷放大器的最大特点。第四十二页，本课件共有55页 当当传传感感器器感感受受振振动动时时，

31、因因为为质质量量块块相相对对被被测测体体质质量量较较小小，因因此此质质量量块块感感受受与与传传感感器器基基座座相相同同的的振振动动，并并受受到到与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力，此此力力Fma。同同时时惯惯性性力力作作用用在在压压电电陶瓷片上产生电荷为陶瓷片上产生电荷为运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压压电电陶陶瓷瓷4和和质质量量块块2为为环环型型，通通过过螺螺母母3对对质质量量块块预预先先加加载载，使使之之压压紧紧在在压压电电陶陶瓷瓷上上。测测量量时时将将传传感感器器基基座座5与与被被测测对

32、对象象牢牢牢牢地地紧紧固固在在一起。输出信号由电极一起。输出信号由电极1引出。引出。qd33Fd33ma6.3 压电式传感器应用压电式传感器应用第四十三页，本课件共有55页 压电式压力传感器压电式压力传感器根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图第四十四页，本课件

33、共有55页 压电式流量计压电式流量计 利利用用超超声声波波在在顺顺流流方方向向和和逆逆流流方方向向的的传传播播速速度度进进行行测测量量。其其测测量量装装置置是是在在管管外外设设置置两两个个相相隔隔一一定定距距离离的的收收发发两两用用压压电电超超声声换换能能器器，每每隔隔一一段段时时间间(如如1/100s)，发发射射和和接接收收互互换换一一次次。在在顺顺流流和和逆逆流流的的情情况况下下，发发射射和和接接收收的的相相位位差差与与流流速速成成正正比比。据据这这个个关关系系，可可精精确确测测定定流流速速。流流速速与与管管道道横横截截面面积积的乘积等于流量。的乘积等于流量。流量显示1789输出信号换能器

34、换能器接收接收发射发射压电式流量计此此流流量量计计可可测测量量各各种种液液体体的的流流速速，中中压压和和低低压压气气体体的的流流速速，不不受受该该流流体体的的导导电电率率、粘粘度度、密密度度、腐腐蚀蚀性性以以及及成成分分的的影影响响。其其准准确确度度可可达达0.5%，有有的的可可达达到到0.01%。第四十五页，本课件共有55页集成压电式传感器是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、

35、交通、安全防卫等领域。脉搏计照片典型应用：脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等第四十六页，本课件共有55页高分子压电材料的应用 玻璃打碎报警装置 玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（高于20kHz）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。第四十七页，本课件共有55页 压电式周界报警系统 周界报警系统又称线控报警系统。它警戒的是一条边界包围的重要区域。当入侵者进入防范区之内时，系统就会发出报警信号。交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以判定车速、载荷分布、车型等。第四十八页，本

36、课件共有55页压电式传感器压电式传感器 压电传感器振动分析压电传感器振动分析第四十九页，本课件共有55页 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。（二）交通监测（二）交通监测（二）交通监测（二）交通监测第五十页，本课件共有55页高分子压电电缆的应用演示将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。第五十一页，本课件共有55页（三）压电式玻璃破碎报警器（三）压

37、电式玻璃破碎报警器n n将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴粘贴位置位置使用时，用瞬干胶将其使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q Q ，在两，在两个输出引脚之间产生个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。窄脉冲报警信号。第五十二页，本课件共有55页带带通通滤滤波波使使玻玻璃璃振振动动频频率率范范围围内内的的输输出出电电压压信信号号通通过过，其它频段的信号滤除。其它频段的信号滤除。比比较较器器作用是当传

38、感器输出信号高于设定的阈值时,输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。第五十三页，本课件共有55页（四）压电式动态力传感器以及（四）压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量在车床中用于动态切削力的测量 第五十四页，本课件共有55页（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析压电式步态分析跑台跑台压电式纵跳训练分析压电式纵跳训练分析装置装置压电传感器测量双腿跳压电传感器测量双腿跳的动态力的动态力第五十五页，本课件共有55页