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1、第六章第六章_压电式传感器压电式传感器第一页，本课件共有40页2023/2/262引言引言n压电式传感器的工作原理是基于某些介压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常
2、广学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。泛的应用。第二页，本课件共有40页2023/2/263主要章节主要章节n6.1 压电式传感器的原理及材料压电式传感器的原理及材料 n6.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 n6.3 压电式传感器的基本性能指标及误差压电式传感器的基本性能指标及误差n6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 第三页，本课件共有40页2023/2/2646.1 压电式传感器的原理及材料压电式传感器的原理及材料 n1压电效应的概念压电效应的概念 n某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，
3、同时在它的两个形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效逆压电效应应”（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。压电效应压电效应第四页，本课件共有40页2023/2/265压电效应可逆性压电效应可逆性 第五页，本课件共有40页2023/2/2662.压电效应原理压电效应原理 n具
4、有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等陶瓷、高分子压电材料等 n石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有石英晶体有3个晶轴：个晶轴：x轴、轴、y轴和轴和z轴。轴。nz轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶轴
5、又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。柱棱面。第六页，本课件共有40页2023/2/267 石英晶体及切片石英晶体及切片 第七页，本课件共有40页2023/2/268n石英晶体的压电效应与其内部结构有关，石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可说明。产生极化现象的机理可说明。n石英晶体的化学式为石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶，它的每个晶胞中有胞中有3个硅离子和个硅离子和6个氧离子，一个硅个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成队出现的）。成队出现的）。n沿光轴看去，可以等效地认为正六边形沿光轴看去，可以等效地认为正六边形
6、排列结构。排列结构。第八页，本课件共有40页2023/2/269 石英晶体的压电效应机理石英晶体的压电效应机理 第九页，本课件共有40页2023/2/2610分析说明分析说明n（1）在无外力作用时）在无外力作用时 n（2）当晶体沿电轴（）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压轴）方向受到压力时，晶格产生变形力时，晶格产生变形 n（3）同样，当晶体的机械轴（）同样，当晶体的机械轴（y轴）方轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形向受到压力时，也会产生晶格变形 n（4）当晶体的光轴（）当晶体的光轴（z轴）方向受到受轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，
7、所以不会产生压电效应。荷中心的分离，所以不会产生压电效应。第十页，本课件共有40页2023/2/2611结论结论n沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。性恰好相反。第十一页，本课件共有40页2023/2/2612压电材料压电材料 n石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。性能优良的压电材料。n应用于压电式
8、传感器中的压电元件材料应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有一般有3类：压电晶体、经过极化处理的类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。压电陶瓷、高分子压电材料。第十二页，本课件共有40页2023/2/2613石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形第十三页，本课件共有40页2023/2/2614天然形成的石英晶体外形（续）第十四页，本课件共有40页2023/2/2615石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装第十五页，本课件共有40页2023/2/2616石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定
9、的振荡输出频率。晶振晶振第十六页，本课件共有40页2023/2/2617压电陶瓷外形 第十七页，本课件共有40页2023/2/2618高分子压电薄膜及拉制 第十八页，本课件共有40页2023/2/2619高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 第十九页，本课件共有40页2023/2/2620可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 第二十页，本课件共有40页2023/2/2621压电式脚踏报警器 第二十一页，本课件共有40页2023/2/2622压电材料压电材料 n（5）时间稳定性。）时间稳定性。n（2）机械性能。）机械性能。n（3）电性能。）电性能。n（4）环境适应性强）环境适应性强n（1）转换性
10、能。）转换性能。1压电材料的要点压电材料的要点第二十二页，本课件共有40页2023/2/26236.2 测量电路测量电路n将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。极后，就构成了压电元件。等效电路等效电路n当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为压电晶片的连
11、接压电晶片的连接第二十三页，本课件共有40页2023/2/2624压电元件的等效电路压电元件的等效电路 n压电元件等效为一个与电容相并联的电压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源，的电压源，第二十四页，本课件共有40页2023/2/2625基本测量电路基本测量电路n压电式传感器的内阻很高，要求与高输压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，与一般的入阻抗的前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，防放大、检波、显示、记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少。止电荷的迅速泄漏而使测量
12、误差减少。n压电式传感器的前置放大器的作用有两压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低个：一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。行放大。第二十五页，本课件共有40页2023/2/26261.电压放大器电压放大器n压电传感器的高频响应较好，通常用于压电传感器的高频响应较好，通常用于高频交变力的测量。电压灵敏度为高频交变力的测量。电压灵敏度为第二十六页，本课件共有40页2023/2/26272.电荷放大器电荷放大器 n并联输出型压电元件可以等效为电荷源。并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器实际
13、上是一个具有反馈电容电荷放大器实际上是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路的高增益运算放大器电路 电荷放大器原理图 第二十七页，本课件共有40页2023/2/2628结论结论n电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。影响可以忽略不计。第二十八页，本课件共有40页2023/2/2629输出信号输出信号n根据压电式传感器的工作原理及等效电根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大是电压信
14、号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形器也有电荷放大器和电压放大器两种形式。式。n由于电压前置放大器的输出电压与电缆由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。电容有关，故目前多采用电荷放大器。第二十九页，本课件共有40页2023/2/26306.3 压电式传感器的基本性能指标及误差压电式传感器的基本性能指标及误差n压电式传感器的基本性能指标包括灵敏压电式传感器的基本性能指标包括灵敏度、频率特性、精度和绝缘电阻等；而度、频率特性、精度和绝缘电阻等；而这里介绍的误差是压电式传感器环境因这里介绍的误差是压电式传感器环境因素的误差，主要是由环境温度、湿度
15、以素的误差，主要是由环境温度、湿度以及接线等引起的误差。及接线等引起的误差。第三十页，本课件共有40页2023/2/2631压电式传感器的基本性能指标压电式传感器的基本性能指标n 1.灵敏度灵敏度n2.频率特性频率特性n3.精度精度n4.绝缘电阻绝缘电阻第三十一页，本课件共有40页2023/2/2632压电式传感器的误差压电式传感器的误差n 1.环境温度的影响环境温度的影响n2.环境湿度的影响环境湿度的影响n3.电缆噪声电缆噪声n4.接地回路噪声接地回路噪声第三十二页，本课件共有40页2023/2/26336.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式加速度传感器n1.压电加速度传感器的结
16、构类型及原理压电加速度传感器的结构类型及原理第三十三页，本课件共有40页2023/2/26346.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用压缩式压电加速度传感器的结构图第三十四页，本课件共有40页2023/2/26356.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用压缩式压电加速度传感器的结构图第三十五页，本课件共有40页2023/2/2636压电加速度传感器的结构原理图压电加速度传感器的结构原理图第三十六页，本课件共有40页2023/2/2637压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器主要由本体、弹性敏感元件和压电元件组成，其结构简图如图所示第三十七页，本课件共有40页2023/2/26
17、38集成压电传感器集成压电传感器随着现代微电子技术的发展，集成的压电传感器已在工程中获得了广泛的应用。集成的压电传感器是把压电传感器和前置放大器集成在一起。集成的压电传感器有三种。一种是内装式微型电荷或电压放大器的集成压电传感器，一种是恒流源供电的集成压电传感器；还有一种是恒压源供电的集成压电传感器。第三十八页，本课件共有40页2023/2/2639集成压电传感器集成压电传感器集成的压电传感器的优点是：（1）集成了前置放大器，及相关电路，简化了测量系统，降低了成本；（2）传输信号的电缆，不需采用专用的低噪声同轴电缆，采用普通的电缆就能满足需要；（3）实现了信号的低阻抗输出，增强了测量系统的抗干扰能力。第三十九页，本课件共有40页2023/2/2640压电式传感器在体育动态测量中的应用压电式步态压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力第四十页，本课件共有40页