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1、传感器与检测技术第六讲第1页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理压电式传感器是以某些晶体受力后在其表压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。器。可测量能变换为力的各种物理量可测量能变换为力的各种物理量。压电效应：某些晶体在一定方向受到外压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷荷；当外力作用除去时，又恢复到不带；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当
2、作用力方向改变时，电荷的电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效极性也随着改变，这种现象称为压电效应。应。第2页，共16页，编辑于2022年，星期三石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应是二氧化硅单晶，属于六角晶系。是二氧化硅单晶，属于六角晶系。第3页，共16页，编辑于2022年，星期三石英晶体优点：石英晶体优点：它的介电常数和压电常数的温度稳定性它的介电常数和压电常数的温度稳定性很好；很好；工作温度范围很宽；工作温度范围很宽；机械强度高，可承受机械强度高，可承受108Pa的压力；的压力；在冲击作用下，漂移也很小；在冲击作用下，漂移也很小；弹性系数较大。弹性系数较大。
3、可用于测量大量程的力和加速度可用于测量大量程的力和加速度第4页，共16页，编辑于2022年，星期三压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材是一种多晶体电体，具有电畴结构的压电材料。电团是分子自发形成的区域，它有一定料。电团是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。的极化方向。第5页，共16页，编辑于2022年，星期三压电材料及压电元件的结构压电材料及压电元件的结构选择压电材料的原则选择压电材料的原则常用的压电材料常用的压电材料压电元件的常用结构压电元件的常用结构第6页，共16页，编辑于2022年，星期三选择压电材料的原则选择压电材料的原则具有较大的压电常数具有
4、较大的压电常数压电元件的机械强度高、刚度大并具有较压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。高的固有振动频率。具有高的电阻率和较大的介电常数，以期具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，减少电荷的泄露以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。获得良好的低频特性。具有较高的居里点。（压电性能破坏时的具有较高的居里点。（压电性能破坏时的温度转变点）温度转变点）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。好的时间稳定性。第7页，共16页，编辑于2022年，星期三常用的压电材料常用的压电材料石英晶体石英晶体水溶
5、性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等）磷酸二氢钾等）铌酸锂晶体铌酸锂晶体压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）压电半导体压电半导体高分子压电材料高分子压电材料第8页，共16页，编辑于2022年，星期三压电元件的常用结构压电元件的常用结构在压电式传感器中，常用两片或多片组合在在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。一起使用。常有并联和串常有并联和串联两种接法联两种接法第9页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电
6、式传感器的等效电路：压电传感器在受外力作用时，压电式传感器的等效电路：压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面聚集电荷，电荷在两个电极表面聚集电荷，电荷 量相等，极性相反，相量相等，极性相反，相当于一个以压电材料当于一个以压电材料 为电介质的电容器。其电容量为：为电介质的电容器。其电容量为：C0=0 A/d电荷源电压源第10页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电传感器的内阻抗很高压电传感器的内阻抗很高.而输出的信号而输出的信号微弱。要求测量电路的前级输入端有足微弱。要求测量电路的前级输入端有足够高的阻抗，防止电荷迅速泄露而使测够高的阻抗，防止电荷
7、迅速泄露而使测量误差减小。量误差减小。其测量电路有两种：电压放大器和电荷其测量电路有两种：电压放大器和电荷放大器放大器第11页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式力传感器压电式力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器第12页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式力传感器压电式力传感器第13页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式压力传感器压电式压力传感器第14页，共16页，编辑于2022年，星期三第15页，共16页，编辑于2022年，星期三压电式加速度传感器压电式加速度传感器第16页，共16页，编辑于2022年，星期三