壓電傳感器優(yōu)秀課件

壓電傳感器第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。壓電效應(yīng)第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日石英晶體的壓電效應(yīng)演示第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

壓電效應(yīng)的可逆性逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日石英晶體的壓電效應(yīng)常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸

(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機(jī)械軸。第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日極化強(qiáng)度的計(jì)算

dmnm—產(chǎn)生電荷的面的軸向

n—施加作用力的軸向1）沿x方向施加力Fx，產(chǎn)生厚度變形：極化強(qiáng)度：Px=d11σx=d11Fx/lb=qx/lb則：qx=d11Fx與尺寸無(wú)關(guān)。2）沿y方向施加力Fy，產(chǎn)生長(zhǎng)度變形：極化強(qiáng)度：Py=d12σy=d12Fy/hb=qy/lb則：qx=d12Fylb/hb=d12Fyl/h與尺寸相關(guān)

Sx=lbSy=hb由于：d11=-d12（各向異性）則：qx=-d11Fyl/h3）沿Z軸方向施加力，無(wú)變形，無(wú)極化。4）無(wú)體積變形，無(wú)極化。第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日1.并聯(lián)q’=2qU’=UC’=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容也大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量慢變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的地方。壓電元件的常有結(jié)構(gòu)形式(a)并聯(lián)++－－－+第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日2.串聯(lián)q’=qU’=2UC’=C/2串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。壓電元件的常有結(jié)構(gòu)形式(b)串聯(lián)+－－+第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)壓電元件的常有結(jié)構(gòu)形式第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電傳感器既是一個(gè)電荷發(fā)生器，又是一個(gè)電容器。因此可有兩種等效電路：1.電荷源：內(nèi)部的電荷發(fā)生器對(duì)C充電；2.電壓源：產(chǎn)生的電荷形成電壓源，對(duì)外供電時(shí)需通過對(duì)等效電容充放電進(jìn)行。Ua=q/Ca壓電傳感器的等效電路第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日一、測(cè)量特點(diǎn)：1.對(duì)象力及力的派生物理量（壓力、位移、加速度等）。2.靜態(tài)測(cè)量壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄露的情況下才能長(zhǎng)期保存。故它不宜做靜態(tài)測(cè)量，只能施加交變力，電荷才能得到不斷的補(bǔ)充，才能供給回路一定的電流，故只宜做靜態(tài)測(cè)量。3.高阻前置放大器減少晶片的漏電流以減少測(cè)量誤差。測(cè)量電路第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日二、前置放大器由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用一、正壓電效應(yīng)

1、作為則量元件，可測(cè)最終能變?yōu)榱Φ奈锢砹咳鐗毫?、加速度、沖擊（汽車的沖擊檢測(cè)）、振動(dòng)等；差動(dòng)式加速度傳感器

彎曲型壓電加速度計(jì)第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

2、作為壓電電源，可作為煤氣爐或汽車的自動(dòng)點(diǎn)火裝置、多種電壓發(fā)生器、計(jì)算機(jī)鍵盤等；

三向力傳感器YDS-III79B第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日二、逆壓電效應(yīng)超聲波發(fā)生器、壓電揚(yáng)聲器、壓電諧振器（石英振蕩器）等。三、正、逆壓電效應(yīng)壓電變壓器、壓電陀螺、聲納、壓電聲表面波等四、生物壓電學(xué)生物都具有壓電性，人的各種感覺實(shí)際上都是生物壓電傳感器。正壓電效應(yīng)——治療骨折逆壓電效應(yīng)——對(duì)骨頭通電具有矯正畸形等功能第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日高頻率強(qiáng)振動(dòng)類型超聲換能器High-frequencyHarclOscillationTransducer

第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉（國(guó)外最低售價(jià)每個(gè)單軸陀螺195美元），能承受惡劣環(huán)境，故大量用于航模飛機(jī)（微型遙控直升機(jī)）的增穩(wěn)系統(tǒng)。

壓電陀螺

壓電陀螺在各種遙測(cè)和控制系統(tǒng)中有著廣泛的用途。壓電陀螺已成功地用于導(dǎo)彈的目標(biāo)跟蹤平臺(tái)、飛機(jī)的增穩(wěn)系統(tǒng)、艦船地雷達(dá)穩(wěn)定伺服系統(tǒng)。第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日壓電點(diǎn)火栓

PiecoelectricLighter

用途：適用于打火機(jī)、煤氣灶、熱水器、點(diǎn)火槍自動(dòng)點(diǎn)火。

點(diǎn)火元件要求在承受一定的壓力下能放出較長(zhǎng)的火花，并在至少一萬(wàn)次力的作用下不降低其發(fā)火能力，壓電電荷系數(shù)d33愈大，受力后產(chǎn)生的電壓愈大、電火花也會(huì)愈長(zhǎng)。

第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日如圖所示為用壓電式加速度傳感器探測(cè)橋墩水下部位裂紋的示意圖。通過放電炮的方式使水箱振動(dòng)(激振器)，橋墩將承受垂直方向的激勵(lì)，用壓電式加速度傳感器測(cè)量橋墩的響應(yīng)，將信號(hào)經(jīng)電荷放大器進(jìn)行放大后送入數(shù)據(jù)記錄儀，再將記錄下的信號(hào)輸入頻譜分析設(shè)備，經(jīng)頻譜分析后就可判定橋墩有無(wú)缺陷。

探測(cè)橋墩水下部分裂紋示意圖圖(a)為探測(cè)示意圖。沒有缺陷的橋墩為一堅(jiān)固整體，加速度響應(yīng)曲線為單峰，如圖(b)所示。若橋墩有缺陷，其力學(xué)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，激勵(lì)后的加速度響應(yīng)曲線將顯示出雙峰或多峰，如圖(c)所示。

第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日煤氣灶電子點(diǎn)火裝置如圖2（b）所示。當(dāng)按下手動(dòng)凸輪開關(guān)1時(shí)，把氣閥6打開，同時(shí)凸輪凸出部分推動(dòng)沖擊鉆2，使得彈簧3被沖擊鉆2向左壓縮，當(dāng)凸輪凸出部分離開沖擊鉆時(shí)，由于彈簧彈力作用，沖擊鉆猛烈撞擊陶瓷壓電組件4，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而在正負(fù)兩極面上產(chǎn)生大量電荷，正負(fù)電荷通過高壓導(dǎo)線5在尖端放電產(chǎn)生火花，使得燃?xì)獗稽c(diǎn)燃。第三十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日煤氣灶壓電陶瓷打火器不僅使用方便，安全可靠，而且