壓電式壓力傳感器

1、關(guān)于壓電式壓力傳感器第一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1 壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(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)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等特點(diǎn)。概述第二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2 某些電介質(zhì)（晶體） 當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也

2、隨之改變；一、壓電效應(yīng) 這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)第三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3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。第四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4壓電元件機(jī)械能電能壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)第五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5第六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月6超聲波

3、傳感器第七張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月71、石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZYX石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時(shí)垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。第八張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月8(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+ 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O

4、2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 第九張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月9晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3) Y=0(P1+P2+P3 ) Z=0即在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，電偶極矩的矢量和等于零，即 P

5、1P2P30（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0即在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。結(jié)論：當(dāng)晶體受到沿X（即電軸）方向的力FX作用時(shí)，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 第十張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月10當(dāng)晶體在Y軸方向力FY作用時(shí)：當(dāng)FY0時(shí)，晶體的形變與在X軸方向力FX0 相似；當(dāng)FY0時(shí)，則與在X軸方向力FX 0 相似?？梢姡w在Y（即機(jī)械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。如果沿Z軸方向上施加作用力FZ，因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正變形

6、完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。表明：沿Z（即光軸）方向加作用力FZ晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 第十一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月11壓電效應(yīng)結(jié)論無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月121、種類：

7、石英晶體：如石英等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體：如硫化鋅、碲化鎘等；高分子壓電材料：聚二氟乙烯等。2、對(duì)壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率； 電性能：具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍； 時(shí)間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 二、壓電材料第十三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月13（一） 石英晶體 石英是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)

8、定性好。在20200范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)?73時(shí)，壓電特性完全失去，這就是它的居里點(diǎn)。 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好。但價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)低。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。第十四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月14（二） 壓電陶瓷 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2、 鋯鈦酸鉛系壓

9、電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 第十五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月15（三） 、壓電半導(dǎo)體 1968年出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體材料，如硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘、碲化鋅和砷化鎵等。特點(diǎn)：既有壓電特性，又有半導(dǎo)體性質(zhì)，因此，可研制壓電傳感器，也可制作半導(dǎo)體電子器件，還可

10、將二者結(jié)合，研制新型集成壓電傳感器。這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，還可測(cè)溫度等參數(shù)。（四）、高分子壓電材料高分子壓電薄膜：是某些高分子聚合物經(jīng)延展和拉伸以及電場(chǎng)極化后具有壓電性能的材料，如聚二氟乙烯優(yōu)點(diǎn)：耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。高分子壓電陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入壓電陶瓷粉末制成的，這種復(fù)合材料保持了高分子壓電陶瓷薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)。 第十六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月16（一）等效電路 當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電

11、傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，其電容量為 qq電極壓電晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為三、壓電式傳感器的測(cè)量電路第十七張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月17壓電元件電荷Q的開路電壓U可等效為電源與電容串聯(lián)或等效為一個(gè)電荷源Q和電容Ca并聯(lián)。 等效電容qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路壓電傳感器等效電路第十八張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月18qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電

12、路壓電傳感器等效電路壓電傳感器的完整等效電路 壓電式傳感器不適合于靜態(tài)參數(shù)測(cè)量 Ca傳感器的固有電容Ci 前置放大器輸入電容 Cc 連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻第十九張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月19壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量 由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第二十張，PPT共三十九頁，創(chuàng)

13、作于2022年6月20壓電元件的連接壓電元件的連接第二十一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月21 單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度， 在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。 從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。 圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法， 類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖b）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、 下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了

14、1倍。 第二十二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月22超聲波探傷傳感器醫(yī)學(xué)超聲波檢測(cè) 超聲波測(cè)液位 第二十三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月23各種超聲波測(cè)厚傳感器超聲波測(cè)流量 超聲波頻譜分析 第二十四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月24各種超聲波傳感器 產(chǎn)品超聲波傳感器結(jié)構(gòu)第二十五張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月25點(diǎn)火器晶體第二十六張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月261. 高分子壓電材料的應(yīng)用1) 玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。粘貼位置7.6 壓電傳感器的

15、應(yīng)用第二十七張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月272壓電式周界報(bào)警系統(tǒng) 將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行，對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。(用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等)7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第二十八張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月283. 交通監(jiān)測(cè) 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第二十九張，P

16、PT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月29壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第三十張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月30壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳 訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第三十一張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月314. 在振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用 1) 振動(dòng)的基本概念 振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。 從振動(dòng)的頻率范圍來分，有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。 從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。 7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第三十二張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月32地震的巨大威力7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第三十三張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月33南海Ms7.2地震波形記錄圖7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第三十四張，PPT共三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月343) 壓電式振動(dòng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)及外形 橫向振動(dòng)測(cè)振器縱向振動(dòng)測(cè)振器7.6 壓電傳感器的應(yīng)用第三十五張，P