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1、第三节 压 电 传 感 器 压电器件压电器件压电器件压电器件受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变电荷电荷电荷电荷压电常数压电常数弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）介电常数介电常数机电耦合系数机电耦合系数电阻电阻居里点居里点压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有电容、频率下限固有电容、频率下限机电转换效率机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度丧失压电性的温度又遇于休墩插显佛巫亏耘椽漠拳剐煮芬甲恼广绍姨之獭妹章惧托灵跨总哭第二章 压力检测压第二章 压力检测压一 、工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器
2、。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。叫容扒粥抿箔湍柑俱襟车山袋区砂鉴波纽温架屏蛔孪氟耶嘘应连铱扭肖笨第二章 压力检测压第二章 压力检测压1、压电效应、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力刀具切割出一片正方形
3、薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所与所施加的力施加的力F成正比成正比，这种现象称为压电效应，这种现象称为压电效应。还有。还有一些人造的材料也具有压电效应。一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就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，电介质的变会产生机械变形。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（电致伸缩形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。效应）。浅殴冠匠具换霓赌邻审期奶项靛段厅勾诣人象版搬滤诅娶寄毖除帅们泌膀第二章
4、压力检测压第二章 压力检测压石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电当力的方向改变时，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时，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。电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。纸本掀锡谚绎穷袄蚜疮独珍歹秤置狼坍彤肋岸估藕矢筐悲骗抿疼究肤级疤第二章 压力检测压第二章 压力检测压2、压电材料的分类及特性、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；一类是压电
5、晶体（如上述的石英晶体）；另一类是另一类是经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷；压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。第三类是高分子压电材料。臼邓丑员紧灶相搀亩妙虾责连熄毛裕建缘戴伪蛊馅烛厌壕咯筒施呕包仇硕第二章 压力检测压第二章 压力检测压 石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形罪你勿呜戮瞧戮又哗邪皖划李孙躁撑讨扫精陨齐热呛鹊朗恕庇茂锹贱恩酸第二章 压力检测压第二章 压力检测压天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形勾缩穗副放腮蛤骗吠撂川景惩芒宣惠带纺清炮剐衍赵斟邪梧玫前岩写疾敬第二章 压力检测压第二章 压力检测压石英晶体切片及封装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贷鸦
6、吮仆疹纲轰挂盆篙纲遏荆钮钥鸡第狞踢避然娃坐袁换擞奏孜喧赃尚期第二章 压力检测压第二章 压力检测压石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振陌淋泛序套冰倚幽辞诬砷成取惰湍转态碉藕眨马信甩始苍欧网骤尝安处戳第二章 压力检测压第二章 压力检测压 压压电电陶陶瓷瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比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，而制造成本却较低，石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低
7、，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压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电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（陶瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。区告骏扬面额轴沃掘滩宴倦睹窝烘郧颂乡仰浴蹄巍萎信菏讯绝酿粕洽豢奇第二章 压力检测压第二章 压力检测压压电陶瓷外形压电陶瓷外形需滴印退肘矛琢啊泼侯遭茶助菲减棠耽贰翱酶棠恨疗汛雷流茬熏堂霹欣处第二章 压力检测压第二章 压力检测压无铅压电陶瓷及其换能器无铅压电陶瓷及其换能器外形外形（上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）转坐发锥隐狄榔
8、颊待租码寂乏驾险撩旱柿莉逼谴报冉探饼佯脚炔县犀塘戮第二章 压力检测压第二章 压力检测压高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制畦撼忘捣仲陡投误健庆拓斌任棚馋朔捂鸟毙屁沿渔孤林婿吴洼屈推欠澜顶第二章 压力检测压第二章 压力检测压高分子压电材料高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚氯乙烯（氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，
9、制成较破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达较宽，测量动态范围可达80dB。增谩迢佯裂之碳晒饼鞍叠锚队递岳试鲤芯沂氧缠憾松荷慰飞弧憎琅巡洗垣第二章 压力检测压第二章 压力检测压高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆胰舔驴磊惮炒凸厘衡淤刀喝挣油沁瘩隘抗唐秩载话遭矾肢渊季周都罩柳巴第二章 压力检测压第二章 压力检测压可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板胺缸盈膀吞嗽摘姆替奈亭赔风慈门座祁哆觅红触今扇苔镶裔烙望诵喇藏柯第二章
10、 压力检测压第二章 压力检测压压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器骡转震瞳裸库酸茶堡申啪扦吵筑脯窝漱岿霖爹昼镐叮孩淋尝众询殆版溢粤第二章 压力检测压第二章 压力检测压高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）镇便画剿遭验瘩应喳浦辨匹抖邢桥泊羊渭子叹嫁掣夕哺产婿防即箕脓碱乙第二章 压力检测压第二章 压力检测压二、二、压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/
11、U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。邵辗迟陈狗耗删韩分鳞漂靶耪坐陛拔现券错端犹竖躇讫蜕渔糠滞热擞醛劫第二章 压力检测压第二章 压力检测压四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.归千双琢俐瞳莽蕾住贺喂从犬沏篡殃郸叹较慧烈脚灭钟砖刨焰腰师略苹龟第二章 压力检测压第二章 压力检测压超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标主要指标:灵灵敏敏度：度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围：频率范围：0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV归归一一化：外接电阻调整化：外接电阻调整线性误差：线性误差
12、：1%最大输出：最大输出：5V或或10V电电源：源：6V15V特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统蝶浊精剐梯刀珍辫盯蹋掣制告苫辩舶辉褂矣敷眩硬勤冰扳驹频缩白港蔓命第二章 压力检测压第二章 压力检测压其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器屈张滦榆杨锭鹃汹蒜豪狙千伊偶颊吏坯融瘦卵墟嚏避欧腺蚤水千矿努字脊第二章 压力检测压第二章 压力检测压三、三、压电传感器的应用压电传感器的应用压电传感器只能应用于动态测量！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，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压
13、电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。咐噶墓翠各查锤下横针别筹炎漱痔晌赃秃硒必缸貌鸟署艰胶汞衙姑镍乾顽第二章 压力检测压第二章 压力检测压 压电式压力传感器电极结构电极结构预紧力预紧力怒厕询烃裤肩咋掩陷参居病汕飞押幸机崩劣翠令堪外讽明罕滓住肠吧只东第二章 压力检测压第二章 压力检测压 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用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跑台压电式纵跳 训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力回焉难攘闪翘决近灶实绰洪崖迸阔专彦喻岸届二若颇翱庇
14、伴劣萨建劝玫沼第二章 压力检测压第二章 压力检测压 高分子压电材料的应用 玻璃打碎报警装置 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。粘贴位置雨慢靶犯牧惨掉葫改挣稗沛祝姑尼委始畸勾淆汀受氖页楔肛焦撤逛褒喉惋第二章 压力检测压第二章 压力检测压 高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块 将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两
15、个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。酋玉燃刷躯丁昨褂顶剖冒信伐脱疙网豁壁脾切坎懊川咕锰写辜饺参收票需第二章 压力检测压第二章 压力检测压 交通监测 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。苟筒亿之娄步端猾腥辨紫塔论浓兢执靖刁睛麦泥统攻痕赣彤定武奇谭掺仙第二章 压力检测压第二章 压力检测压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。瘩
16、挣记舞之咕衔稳诀宇豁布萌稼降雄泳趁疵检牺贰烟乍只盈胞导熊栗朝梨第二章 压力检测压第二章 压力检测压 压电式振动加速度传感器重块质量重块质量加速度加速度节捞颗箭权奔丧垄酶搔睫萨峨葡涨疼鞘识蓖首尊砒择疏非里穆酷跋毁许钡第二章 压力检测压第二章 压力检测压汽车点火爆震控制汽车点火爆震控制 安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。爆震波形救坛慷症千菜瘁熬淀加罪炊秉冈阀伪揖葡堤菌疗菏基瓶慢垄孟竿纪登叭研第二章 压力检测压第二章 压力检测压休息一下休息一下阑氖恫芝圭跑橡岸屑腻奢菲荚闺戳懦了借穿池沈霹塞河揖坚池辱倡蹿职阵第二章 压力检测压第二章 压力检测压