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1、解析压电式传感器第1页，本讲稿共25页主要用于动态作用力、压力和加速度的主要用于动态作用力、压力和加速度的测量测量一、压电式传感器的工作原理（一）压电效应某些晶体在外力的作用下，不仅几何尺某些晶体在外力的作用下，不仅几何尺寸发生变化，而且晶体内部产生极化现象，寸发生变化，而且晶体内部产生极化现象，晶体表面出现电荷，形成电场。当外力去晶体表面出现电荷，形成电场。当外力去除后，晶体恢复原状，这种现象称压电效除后，晶体恢复原状，这种现象称压电效应。应。第2页，本讲稿共25页压电材料：具有压电效应的材料具有压电效应的材料逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化
2、，这种现象称为逆压电何尺寸也会发生变化，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。效应或电致伸缩效应。（二）石英晶体的压电效应1.石英晶体材料的特性石英晶体即二氧化硅无水石英晶体即二氧化硅无水化合物，化合物，SiO2具有理想的线性，无滞后具有理想的线性，无滞后刚性好刚性好第3页，本讲稿共25页频率响应范围宽，特别适用于动态测量频率响应范围宽，特别适用于动态测量稳定性好，时间老化率低，无热释电现象稳定性好，时间老化率低，无热释电现象居里点高，居里点高，573573，对温度的敏感性比电，对温度的敏感性比电阻、电感类要低得多，因此灵敏度变化极小阻、电感类要低得多，因此灵敏度变化极小具有较高的绝缘阻抗具有
3、较高的绝缘阻抗第4页，本讲稿共25页 、和和 ，其大小为：，其大小为：2、石英晶体压电效应产生的原因、石英晶体压电效应产生的原因（1）、石英晶体未受到外力作用时，如图）、石英晶体未受到外力作用时，如图62（A）示。石英晶体的晶）示。石英晶体的晶格是正六边形，正离子格是正六边形，正离子Si+和负离子和负离子0-正好分布在正六边形的顶角上，形成正好分布在正六边形的顶角上，形成了三个互成了三个互成1200夹角的偶极矩夹角的偶极矩由于是正六边形，正负电荷中心重合。因由于是正六边形，正负电荷中心重合。因此电偶极矩矢量和等于此电偶极矩矢量和等于0 0。即。即 故电荷平衡，晶体表面不产生电荷，故电荷平衡，晶
4、体表面不产生电荷，呈中性。呈中性。第5页，本讲稿共25页（2）、石英晶体受到沿）、石英晶体受到沿X轴方向的轴方向的压力作用，即压力作用，即FX1)1时：时：上式说明：上式说明：放大器输入电压有效值与被测频率无关；放大器输入电压有效值与被测频率无关；改变连接传感器与放大器的电缆长度时，改变连接传感器与放大器的电缆长度时，C Cc c改变，导致放大器的输入输出电压发生变化。改变，导致放大器的输入输出电压发生变化。第19页，本讲稿共25页2.电荷放大器电荷输入，电压输出。如忽略电阻电荷输入，电压输出。如忽略电阻R Ra a、R Ri i和和R Rf f的影响，则的影响，则Q Qi i=Q-Q=Q-Q
5、f f当当A A足够大，足够大，U Ui i00 Q Qi i00故：故：Q Qf f=Q=Q U U0 0=-U=-Ucfcf=-Q/C=-Q/Cf f第20页，本讲稿共25页电荷放大器的灵敏度：K=U0 0/Q=1/Cf f说明：电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷量荷量Q成正比，与放大器的反馈电容成正比，与放大器的反馈电容Cf f成反比；成反比；只要放大器的放大倍数只要放大器的放大倍数A足够大，电缆电容、输足够大，电缆电容、输入电容等对输出的影响可以忽略；入电容等对输出的影响可以忽略；Cf f两端并联反馈电阻，形成直流反馈，以稳定放大两端并联
6、反馈电阻，形成直流反馈，以稳定放大器的直流工作点。器的直流工作点。第21页，本讲稿共25页四、压电式传感的应用可用于测量力、压力、振动的加速度，可用于测量力、压力、振动的加速度，也可用于声学和声发射等测量。也可用于声学和声发射等测量。第22页，本讲稿共25页一、压电式测力传感器一、压电式测力传感器:单向力传感器单向力传感器：如图如图612所示：两片压电晶片沿电轴方所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离
7、。隔离。被被测测力力F通通过过上上盖盖使使压压电电晶晶片片沿沿电电轴轴方方向向受受压压力力作作用用，便便使使晶晶片片产产生生电电荷荷，负负电电荷荷由由片片形形电电极极（负负极极）输输出出，正正电电荷荷与与上上盖盖和和底底座座连连接接。这这种种传传感感器器有有以下特点：以下特点：、体积小，重量轻（仅、体积小，重量轻（仅10g）；）；、固有频率高（约、固有频率高（约5060KHz）；）；、可检测高达、可检测高达5000N（变化频率少于（变化频率少于20KHz）的动态力，）的动态力，、分辩率高，可达、分辩率高，可达10-3N 。第23页，本讲稿共25页二.测量汽缸中燃烧的爆发力将石英力传感器紧固在汽
8、缸盖的紧固螺栓将石英力传感器紧固在汽缸盖的紧固螺栓中，相当中，相当于垫圈的于垫圈的作用，电作用，电荷放大器荷放大器输出接峰输出接峰值电压表，值电压表，即可指示即可指示出汽缸的出汽缸的爆发力。爆发力。第24页，本讲稿共25页原原理理如如图图所所示示：当当使使用用者者将将开开关关往往里里压压时时，打打开开气气阀阀，再再旋旋转转开开关关，使使弹弹簧簧往往左左压压，这这时时弹弹簧簧有有一一个个很很大大的的力力，撞撞击击压压电电晶晶体体，使使压压电电晶晶体体产产生生电电荷荷，经经高高压压线线至至燃燃烧烧盘盘产产生生高高压压放放电电，产产生生火火花花，导导致致燃燃烧烧盘盘的的煤煤气点火燃烧。气点火燃烧。三、煤气灶电子点火装置三、煤气灶电子点火装置 第25页，本讲稿共25页