压电传感器的工作原理

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  1、关于压电传感器的工作原理4/20/20221现在学习的是第一页，共27页4/20/20222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 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介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，以此来实现非电量电测的目的。质表面产生电荷，以此来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、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，

  2、但不能用于静态参数的测量。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。 现在学习的是第二页，共27页4/20/20223一、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，晶格发生变形，表面产生正电荷，电荷压力时，晶格发生变形，表面产生正电荷，

  3、电荷Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比 ，此现状称为压电效，此现状称为压电效应应 。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，此现状称为逆压电效应（电的变形随之消失，此现状称为逆压电效应（电致伸缩效应）。致伸缩效应）。 现在学习的是第三页，共27页4/20/20224石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向发生改变时，电荷的极性随即改变，输出电压的频当力的方向发生改变时，

  4、电荷的极性随即改变，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，电荷将由于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。表面漏电而很快泄漏、消失。现在学习的是第四页，共27页4/20/20225二、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压电传感器中的压电元件材料一般有三类：三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；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。现在学习的是第五页，共27页4/20/20

  5、226（一）石英晶体（一）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现在学习的是第六页，共27页4/20/20227天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续） 现在学习的是第七页，共27页4/20/20228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现在学习的是第八页，共27页4/20/20229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，由此产生稳定的振荡输由此产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振现在学

  6、习的是第九页，共27页4/20/202210（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷 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较高得多，而制造成本却较石英晶体的压电灵敏度较高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都低，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采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（系列压电陶瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiO3等）。等）。 现在学习的是第十页，共27页4/20/202211压电陶瓷外形压电陶瓷外形 现在学习的是第

  7、十一页，共27页4/20/202212无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制） 现在学习的是第十二页，共27页4/20/202213高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 现在学习的是第十三页，共27页4/20/202214（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，可根据自身的需求制成薄膜或电缆套管等形状。它不易可根

  8、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，价格实惠公道，频率响应范围大面积或较长的尺度，价格实惠公道，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。现在学习的是第十四页，共27页4/20/202215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 现在学习的是第十五页，共27页4/20/202216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 现在学习的是第十六页，共27页4/20/202217压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 现

  9、在学习的是第十七页，共27页4/20/202218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）现在学习的是第十八页，共27页4/20/202219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：of 6-4QuC 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电荷转换为电压（压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法

  10、。一种习惯叫法。现在学习的是第十九页，共27页4/20/202220四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .现在学习的是第二十页，共27页4/20/202221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

  11、接式焊接式 电荷放大器电荷放大器现在学习的是第二十一页，共27页4/20/202222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% 最大输出：最大输出：5V或或10V 电电 源：源：6V15V 特点：可组成经济的多点检测系统特点：可组成经济的多点检测系统现在学习的是第二十二页，共27页4/20/202223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现在学习的是第二十三页，共27页4/20/202224其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）现在学习的是第二十四页，共27页4/20/202225本章作业本章作业p108：2、3、5现在学习的是第二十五页，共27页4/20/202226休息一下休息一下现在学习的是第二十六页，共27页4/20/2022感谢大家观看感谢大家观看现在学习的是第二十七页，共27页

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