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1、关于压电传感器的工作原理02.04.20231第一页，讲稿共二十七页哦02.04.20232第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理压压电电式式传传感感器器是是一一种种自自发发电电式式传传感感器器。它它以以某某些些电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，在在外外力力作作用用下下，在在电电介介质质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些非非电电物物理理量量，例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振动加速度等，但不能用于静态参数
2、的测量。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、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。可靠性、稳定性高。第二页，讲稿共二十七页哦02.04.20233一、压电效应一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚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。当晶体薄片受到石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力与所施加
3、的力F成正比成正比，这种现象称为压电效，这种现象称为压电效应应。还有一些人造的材料也具有压电效应。还有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，电介质就会产生机械变形。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（电的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。致伸缩效应）。第三页，讲稿共二十七页哦02.04.20234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，输出电压的频率与当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率
4、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。而很快泄漏、消失。第四页，讲稿共二十七页哦02.04.20235二、压电材料的分类及特性二、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压电传感器中的压电元件材料一般有三类：类：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；一类是压电晶体（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；第三类压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。是高分子压电材料。第五页，讲稿共二十七页哦02.04.20236（一）石英晶体（一）石英晶体天然形成的石英晶体
5、外形天然形成的石英晶体外形第六页，讲稿共二十七页哦02.04.20237天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）第七页，讲稿共二十七页哦02.04.20238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双面镀银并封装第八页，讲稿共二十七页哦02.04.20239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。晶振晶振第九页，讲稿共二十七页哦02.04.202310（二）压电陶瓷（二）
6、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它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，而制造成本比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大却较低，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多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及）及非铅系压电陶非铅系压电陶瓷瓷（如（如BaTiO3等）。等）。第十页，讲稿共二十七页哦02.04.202311压电陶瓷外形压电陶瓷外形第十一页，讲稿共二十七页哦02.04.202312无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及
7、其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）第十二页，讲稿共二十七页哦02.04.202313高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制第十三页，讲稿共二十七页哦02.04.202314（三）高分子压电材料（三）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，制成较破碎，具有
8、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。第十四页，讲稿共二十七页哦02.04.202315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第十五页，讲稿共二十七页哦02.04.202316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第十六页，讲稿共二十七页哦02.04.202317压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器第十七页，讲稿共二十七页哦02.04.202318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
9、叭（逆压电效应）（逆压电效应）第十八页，讲稿共二十七页哦02.04.202319第二节第二节 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：馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电荷转换为电压（电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。只是一种习惯叫法。第十九页，讲稿共二十七页哦02.04.202320四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.第二十页，讲稿共二十
10、七页哦02.04.202321上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标（参考（参考东方振动和噪声技术研究所资料）东方振动和噪声技术研究所资料）灵灵敏敏度：度：0.11000mV/pC频率范围：频率范围：0.3100KHz噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于：折合至输入端小于5V准准确确度：度：1%最大输出：最大输出：10V/10mA电电源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式：计算机或手动计算机或手动焊接式焊接式电荷放大器电荷放大器第二十一页，讲稿共二十七页哦02.04.202322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、
11、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：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第二十二页，讲稿共二十七页哦02.04.202323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面板式电荷放大器第二十三页，讲稿共二十七页哦02.04.202324其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）第二十四页，讲稿共二十七页哦02.04.202325本章作业本章作业p108：2、3、5第二十五页，讲稿共二十七页哦02.04.202326休息一下休息一下第二十六页，讲稿共二十七页哦02.04.2023感感谢谢大大家家观观看看第二十七页，讲稿共二十七页哦