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1、压电传感器压电传感器第一页，讲稿共三十二页哦某某些些物物质质沿沿某某一一方方向向受受到到外外力力作作用用时时，会会产产生生变变形形，同同时时其其内内部部产产生生极极化化现现象象，此此时时在在这这种种材材料料的的两两个个表表面面产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，它它又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电的的状状态态，这这种种现现象象被被称称为为压压电电效效应应。当当作作用用力力方方向向改改变变时时，电电荷荷极极性性也也随随之之改改变变。这这种种机机械械能能转转化化为为电电能能的的现现象象称为称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。压电效应压电效应第二
2、页，讲稿共三十二页哦石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示第三页，讲稿共三十二页哦 压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应反反之之，当当在在某某些些物物质质的的极极化化方方向向上上施施加加电电场场，这这些些材材料料在在某某一一方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力；当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消消失失。这这种种电电能能转转化化为为机机械械能能的的现现象象称为称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸缩效应电致伸缩效应”。第四页，讲稿
3、共三十二页哦石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应常常见见的的压压电电材材料料可可分分为为两两类类，即即压压电电单单晶晶体体和和多多晶晶体体压压电电陶瓷。陶瓷。压电单晶体有石英压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英)、水溶性压、水溶性压电晶体电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。第五页，讲稿共三十二页哦 如如图图所所
4、示示为为天天然然石石英英晶晶体体，其其结结构构形形状状为为一一个个六六角角形形晶晶柱柱，两两端端为为一一对对称棱锥。称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴纵轴Z称为光轴称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴铀称为电轴，与与X-X轴和轴和Z-Z轴垂直的轴垂直的Y-Y轴轴(垂直于六棱柱体的棱面垂直于六棱柱体的棱面)称为称为机械轴机械轴。第六页，讲稿共三十二页哦如如果果从从石石英英晶晶体体中中切切下下一一个个平平行行六六面面体体并并使使其其晶晶面面分分别别平平行行于于Z-ZZ-Z、Y-YY
5、-Y、X-XX-X轴轴线线。晶晶片片在在正正常常情情况况下下呈呈现现电电性性。通通常常把把沿沿电电轴轴(X(X轴轴)方方向向的的作作用用力力产产生生的的压压电电效效应应称称为为“纵纵向向压压电电效效应应”，把把沿沿机机械械轴轴(Y(Y轴轴)方方向向的的作作用用力力产产生生的的压压电电效效应应称称为为“横横向向压压电电效效应应”，沿沿光光轴轴(Z(Z轴轴)方方向向的的作作用用力力不不产产生生压压电电效效应应。沿沿相相对对两两棱棱加加力力时时，则则产产生生切切向向效效应应。压压电电式式传感器主要是利用传感器主要是利用纵向压电效应纵向压电效应。第七页，讲稿共三十二页哦极化强度的计算极化强度的计算极化
6、强度的计算极化强度的计算 dmn mdmn mdmn mdmn m产生电荷的面的轴向产生电荷的面的轴向产生电荷的面的轴向产生电荷的面的轴向 nnnn施加作用力的轴向施加作用力的轴向施加作用力的轴向施加作用力的轴向1 1 1 1）沿）沿）沿）沿x x x x方向施加力方向施加力方向施加力方向施加力Fx Fx Fx Fx，产生厚度变形：，产生厚度变形：，产生厚度变形：，产生厚度变形：极化强度：极化强度：极化强度：极化强度：Px=d11x=d11Fx/lb=qx/lb Px=d11x=d11Fx/lb=qx/lb Px=d11x=d11Fx/lb=qx/lb Px=d11x=d11Fx/lb=qx/
7、lb 则：则：则：则：qx=d11Fx qx=d11Fx qx=d11Fx qx=d11Fx 与尺寸无关。与尺寸无关。与尺寸无关。与尺寸无关。2 2 2 2）沿）沿）沿）沿y y y y方向施加力方向施加力方向施加力方向施加力Fy Fy Fy Fy，产生长度变形：，产生长度变形：，产生长度变形：，产生长度变形：极化强度：极化强度：极化强度：极化强度：Py=d12y=d12Fy/hb=qy/lbPy=d12y=d12Fy/hb=qy/lbPy=d12y=d12Fy/hb=qy/lbPy=d12y=d12Fy/hb=qy/lb则：则：则：则：qx=d12 Fy lb/hb=d12 Fy l/h q
8、x=d12 Fy lb/hb=d12 Fy l/h qx=d12 Fy lb/hb=d12 Fy l/h qx=d12 Fy lb/hb=d12 Fy l/h 与尺寸相关与尺寸相关与尺寸相关与尺寸相关 Sx=lb Sy=hb Sx=lb Sy=hb Sx=lb Sy=hb Sx=lb Sy=hb 由于：由于：由于：由于：d11=-d12 d11=-d12 d11=-d12 d11=-d12（各向异性）则：（各向异性）则：（各向异性）则：（各向异性）则：qx=-d11 Fy l/h qx=-d11 Fy l/h qx=-d11 Fy l/h qx=-d11 Fy l/h 3 3 3 3）沿）沿）
9、沿）沿Z Z Z Z轴方向施加力，无变形，无极化。轴方向施加力，无变形，无极化。轴方向施加力，无变形，无极化。轴方向施加力，无变形，无极化。4 4 4 4）无体积变形，无极化。）无体积变形，无极化。）无体积变形，无极化。）无体积变形，无极化。第八页，讲稿共三十二页哦第九页，讲稿共三十二页哦第十页，讲稿共三十二页哦1.1.并联并联 q=2q U=U C=2Cq=2q U=U C=2C并联接法输出电荷大，本身并联接法输出电荷大，本身电容也大，时间常数大，适用电容也大，时间常数大，适用于测量慢变信号，并且适用于于测量慢变信号，并且适用于以电荷作为输出量的地方。以电荷作为输出量的地方。压电元件的常有结
10、构形式压电元件的常有结构形式(a a a a)并联并联并联并联+第十一页，讲稿共三十二页哦2.2.串联串联 q=q U=2U C=C/2q=q U=2U C=C/2串联接法输出电压大，本身串联接法输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为电容小，适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的地方。入阻抗很高的地方。压电元件的常有结构形式压电元件的常有结构形式(b b b b)串联串联串联串联+第十二页，讲稿共三十二页哦(a)并联并联(b)串联串联压电元件的常有结构形式压电元件的常有结构形式第十三页，讲稿共三十二页哦压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。压电传
11、感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。因此可有两种等效电路：因此可有两种等效电路：因此可有两种等效电路：因此可有两种等效电路：1.1.1.1.电荷源：内部的电荷发生器对电荷源：内部的电荷发生器对电荷源：内部的电荷发生器对电荷源：内部的电荷发生器对C C C C充电；充电；充电；充电；2.2.2.2.电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通过对等效电容充放电进行。过对等效电容充放电进行。Ua=q/CaUa=q/Ca压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路第
12、十四页，讲稿共三十二页哦第十五页，讲稿共三十二页哦第十六页，讲稿共三十二页哦一、测量特点：一、测量特点：一、测量特点：一、测量特点：1.1.对象对象对象对象力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。2.2.2.2.静态测量静态测量静态测量静态测量 压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得存。故
13、它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做静态到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做静态到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做静态到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做静态测量。测量。测量。测量。3.3.3.3.高阻前置放大器高阻前置放大器减少晶片的漏电流以减少测量误差。减少晶片的漏电流以减少测量误差。测量电路第十七页，讲稿共三十二页哦二、前置放大器二、前置放大器二、前置放大器二、前置放大器l由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器由于压电式传感器的输出电信号很微
14、弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）大器。）l前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。l前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大前置放大器电路
15、有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；另一成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。第十八页，讲稿共三十二页哦第十九页，讲稿共三十二页哦应用 一、正压电效应正压电效应 1 1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、作为则量元件，可测最终
16、能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等；加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等；差动式加速度传感器差动式加速度传感器 弯曲型压电加速度计弯曲型压电加速度计第二十页，讲稿共三十二页哦 2 2、作为压电电源，可作为煤气炉或汽车的自动点、作为压电电源，可作为煤气炉或汽车的自动点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；三向力传感器三向力传感器YDS-III79BYDS-III79B第二十一页，讲稿共三十二页哦二、逆压电效应二、逆压电效应二、逆压电效应二、逆压电效应 超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）超声波发生器、压电扬声器、压
17、电谐振器（石英振荡器）超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）等。等。等。等。三、正、逆压电效应三、正、逆压电效应三、正、逆压电效应三、正、逆压电效应 压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等四、生物压电学四、生物压电学 生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是
18、生物压电传感器。感器。感器。感器。正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应治疗骨折治疗骨折治疗骨折治疗骨折 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应对骨头通电具有矫正畸形等功能对骨头通电具有矫正畸形等功能对骨头通电具有矫正畸形等功能对骨头通电具有矫正畸形等功能第二十二页，讲稿共三十二页哦高频率强振动类型超声换能器高频率强振动类型超声换能器High-frequency Harcl Oscillation Transducer 第二十三页，讲稿共三十二页哦 由于其结构简单，价由于其结构简单，价格低廉（国外最低格低廉（国外最低售价每个单轴陀螺售价每个单轴陀螺195195美美元），能承受恶劣环境，元）
19、，能承受恶劣环境，故大量用于航模飞机故大量用于航模飞机（微型遥控直升机）的（微型遥控直升机）的增稳系统。增稳系统。压电陀螺压电陀螺 压电陀螺在各种遥测和控制系统中有着广泛的压电陀螺在各种遥测和控制系统中有着广泛的用途。压电陀螺已成功地用于导弹的目标跟踪平台、用途。压电陀螺已成功地用于导弹的目标跟踪平台、飞机的增稳系统、舰船地雷达稳定伺服系统。飞机的增稳系统、舰船地雷达稳定伺服系统。第二十四页，讲稿共三十二页哦压电点火栓压电点火栓 Piecoelectric Lighter 用途：适用于打火机、煤气灶、热水器、点火枪自用途：适用于打火机、煤气灶、热水器、点火枪自动点火。动点火。点火元件要求在承受
20、一定的压力下能放出较长的火花，并在点火元件要求在承受一定的压力下能放出较长的火花，并在至少一万次力的作用下不降低其发火能力，压电电荷系数至少一万次力的作用下不降低其发火能力，压电电荷系数d33d33愈大，愈大，受力后产生的电压愈大、电火花也会愈长。受力后产生的电压愈大、电火花也会愈长。第二十五页，讲稿共三十二页哦第二十六页，讲稿共三十二页哦第二十七页，讲稿共三十二页哦第二十八页，讲稿共三十二页哦如图所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。通如图所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。通过放电炮的方式使水箱振动过放电炮的方式使水箱振动(激振器激振器)，桥墩将承受垂
21、直方向的激励，用，桥墩将承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行放大后压电式加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可判定桥墩有无缺陷。就可判定桥墩有无缺陷。探测桥墩水下部分裂纹示意图探测桥墩水下部分裂纹示意图图图(a)为探测示意图。没为探测示意图。没有缺陷的桥墩为一坚固整有缺陷的桥墩为一坚固整体，加速度响应曲线为单体，加速度响应曲线为单峰，如图峰，如图(b)所示。若桥所示。若桥墩有缺陷，其力学系统墩有缺陷，其力学系
22、统变得更为复杂，激励后变得更为复杂，激励后的加速度响应曲线将显的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰，如图示出双峰或多峰，如图(c)所示。所示。第二十九页，讲稿共三十二页哦煤气灶电子点火装置如图煤气灶电子点火装置如图2 2（b b）所示。当按下手动）所示。当按下手动凸轮开关凸轮开关1 1时，把气阀时，把气阀6 6打开，同时凸轮凸出部分推打开，同时凸轮凸出部分推动冲击钻动冲击钻2 2，使得弹簧，使得弹簧3 3被冲击钻被冲击钻2 2向左压缩，当凸轮向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击钻时，由于弹簧弹凸出部分离开冲击钻时，由于弹簧弹力作用，冲击钻猛烈撞力作用，冲击钻猛烈撞击陶瓷压电组件击陶瓷压电组件4 4，
23、产，产生压电效应，从而在正生压电效应，从而在正负两极面上产生大量电负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过高压荷，正负电荷通过高压导线导线5 5在尖端放电产生火在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。花，使得燃气被点燃。第三十页，讲稿共三十二页哦煤气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，煤气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，而且使用寿命长，据有关资料介绍，采用压电陶瓷制而且使用寿命长，据有关资料介绍，采用压电陶瓷制成的打火器可使用成的打火器可使用100100万次以上。万次以上。点火方式：点火方式：压电点火方式压电点火方式 移动方便移动方便 三级火力调整三级火力调整 燃烧方式：燃烧方式：红外线放热型红外线放热型第三十一页，讲稿共三十二页哦1 1、什麽是正、逆压电效应？、什麽是正、逆压电效应？2 2、采用电荷放大器有何优点？、采用电荷放大器有何优点？3 3、与金属应变传感器相比较，压电传感、与金属应变传感器相比较，压电传感 器有何优点与缺点？器有何优点与缺点？作业作业第三十二页，讲稿共三十二页哦