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  • 压电式传感器工作原理  压电式传感器工作原理主要基于压电效应,利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量,再进行相关测量工作的测量精密仪器,比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在...
  • 压电式传感器

    2013-07-09 10:20:58
    压电式传感器的课件,详细的讲解,学生专用。
  • 压电式传感器及应用pdf,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。
  • 压电式传感器6.1 压电效应和压电材料6.1.1 压电效应6.1.2 压电材料6.2 压电式传感器的测量转换电路6.2.1 压电式传感器的等效电路6.2.2 压电式传感器的测量电路6.3 压电式传感器的应用6.3.1 压电式力传感器6.3.2 压电...


    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。压电式传感器具有体积小,重量轻,工作频带宽等特点,因此用于测量各种动态力、机械冲击与振动,在声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。

    6.1 压电效应和压电材料

    6.1.1 压电效应

    压电效应具有可逆性,它分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指某些电介质,当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时,它的内部就会产生极化的现象,同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷,当施加的压力去掉后,它又重新恢复不带电的状态;当压力的作用方向改变时,它内部的极性也随着改变。电子打火机就是利用正压电效(顺压电效应)应制成的。逆压电效应是指在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机械压力,当施加的电场撤去时,这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。音乐贺卡的扬声器就是利用逆压电效应(电致伸缩效应)制成的。

    6.1.2 压电材料

    压电材料是具有压电效应的晶体材料,常用的有压电晶体(单晶体)材料、压电陶瓷(多晶半导体)和高分子压电材料。
    1.石英晶体的压电效应
    如图6-1所示,石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiO2。
    如图6-2所示,在研究石英晶体时,晶体学中可以用三根互相垂直的晶轴来表示。**x轴:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最强,称为电轴;y轴:垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称为机械轴;z轴:无压电效应,中心轴,也称光轴。**石英晶体的化学式为SiO2,石英晶体的压电效应与其内部结构有关,它的每个晶胞由3个硅离子和6个氧离子组成,一个硅离子和两个氧离子交替排列。沿光轴看去,可以等效为正六边形结构,如图6-3(a)所示。
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    当石英晶体不受外力作用时,硅离子和氧离子在正六边形的六个顶角上,正负电荷的中心重合,所以对外不显电性,见图6-3(a);当石英晶体在x轴方向受力时,正负电荷中心偏移,负电荷中心向下偏移导致晶体的极面A上呈现负电荷,正电荷中心向上偏移导致晶体的极面B上呈现正电荷,见图6-3(b);当石英晶体在y轴方向受力时,正负电荷中心同样发生偏移,晶体的极面A上呈现正电荷,晶体的极面B上呈现负电荷,见图6-3(c);当晶体的光轴(z轴)方向受力时,由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的偏移,所以不会产生压电效应。

    在实际应用中,从晶体上沿轴线切下的薄片作为传感器的测量元件,这个薄片被称为“晶体切片”。如图6-4所示是垂直于电轴x切割的石英片,长为a、宽为b、高为c。在与x轴垂直的两个平面上镀上金属材料,此时石英片可以看作是一个电容。沿x方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的表面上产生电荷Qxx为
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    2.压电陶瓷的压电效应

    压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的压电灵敏度高得多,而制造成本却较低,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。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及非铅系列压电陶瓷(如BaTiO3等)。

    若让原始的压电陶瓷材料具有压电特性,需在一定温度下对它进行极化处理。压电陶瓷的极化过程如图6-5所示。将这些材料置于外电场作用下,其中的电畴发生转动,使本身自发的极化方向趋向外电场方向并保持一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。

    当压电陶瓷在极化面上受到沿着极化方向(即z向)的作用力Fz时(即作用力垂直于极化面),如图6-6(a)所示,则在两个镀有金属的极化面上分别出现正负电荷,电荷量Qzz与力Fz成比例,即
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    压电晶体与压电陶瓷的比较:

    (1)相同点。都是具有压电效应的压电材料。
    (2)不同点。石英的介电常数和压电常数的温度稳定性好,适合做工作温度范围很宽的传感器;极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍,但稳定性不如石英好,居里点也低。

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    6.2 压电式传感器的测量转换电路

    6.2.1 压电式传感器的等效电路

    1.压电式晶体的连接方式

    将压电晶片产生电荷的两个晶面镀上金属电极后封装,就构成了压电元件。当压电元件受力时,就会在两个电极上产生电荷,因此压电元件可以看作是一个电荷源。两个电极之间是绝缘的压电介质材料,因此它也可以看作是一个以压电材料为介质的电容器。

    如图6-7所示,压电元件采用不同的连接方式时,其参数变化为如下。

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    2.压电元件的等效电路

    根据压电元件的特性,可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的电压源,如图6-8所示。压电式传感器的实际等效电路如图6-9所示。

    6.2.2 压电式传感器的测量电路

    压电式传感器不能用于静态测量,压电元件只有在交变力的作用下,电荷才能源源不断地产生,可以供给测量回路一定的电流,故只适用于动态测量。

    压电式传感器本身的输出信号小,内阻抗很高,在它的测量电路中通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器,放大器的作用是:**一是把压电式传感器的高阻抗变换为低阻抗;二是放大传感器的输出信号。**压电式传感器的输出信号可以是电压也可以是电荷,因此前置放大器也就出现了两种形式:电压放大器和电荷放大器。

    1.电荷放大器

    电荷放大器的等效电路如图6-10所示。
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    2.电压放大器

    串联输出的压电元件可以等效为电压源,由于压电效应引起的电容量很小,因此其电压源的等效内阻非常大,在连接成电压输出型测量电路时,要求前置放大器要有足够的放大倍数,而且应具备很高的输入阻抗,如图6-11所示。
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    6.3 压电式传感器的应用

    6.3.1 压电式力传感器

    压电式力传感器是以压电元件为转换元件,输出电荷与作用力成正比,将力的变化转化为电的装置。常用的力传感器的形式为荷重垫圈式,如图6-12 所示,它由基座、上盖、石英晶片、电极以及引出插座等组成。

    压电式力传感器适用于变化频率不太高的动态力的测量,测力范围可以达到几十kN以上,非线性误差小于1%,其固有频率可达数十kHz。在装配时需要注意的是,要有足够的预紧力,用以消除元件之间接触不良导致的非线性误差,使传感器工作在线性的状态。在这里插入图片描述

    6.3.2 压电式加速度传感器

    如图6-13 所示,压电式加速度传感器由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成,整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。
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    根据牛顿第二定律可知,F=ma,惯性力是加速度的函数。压电式传感器在测量加速度时,惯性力F作用于压电元件上,压电元件产生电荷Q,在传感器选定的情况下,其输出电荷与加速度a成正比,而加速度a与惯性力F成正比,因此输出电荷可以反映惯性力的变化。

    6.3.3 弯曲式压电加速度传感器

    如图6-14 所示为弯曲式压电加速度传感器的结构,压电元件粘贴在悬臂梁的侧面,悬臂梁的自由端装配质量块,固定端与基座连接。测量时,被测物体运动,质量块由于惯性会产生加速度,质量块带动悬臂梁发生弯曲,使悬臂梁的侧面受到拉伸或压缩,压电元件发生变形,产生电信号输出。
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    弯曲式压电加速度传感器的优点是固有的共振频率低,灵敏度高,常用于低频测量;缺点是体积大,机械强度较差。

    6.3.4 火炮堂内压力测试

    火炮工作时,发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小,不仅决定着炮弹的飞行速度,而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。

    如图6-15 所示为火炮堂内压力测试电路,当堂内压力作用于压力传感器时,压力传感器中的压电晶体受到力的作用产生电荷,此电荷可以反映火炮堂内压力的大小,从而起到检测压力的作用。
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    6.3.5 压电式血压传感器

    如图6-15 所示为压电式血压传感器的结构,由双晶片、敏感振膜、塑料块、定位螺栓等组成,采用的是悬臂梁结构。该传感器采用双晶片,两个压电元件极化方向相反,并联后可以增加电荷量输出。在敏感振膜的上下两侧各粘一个半圆塑料块。使用压电式血压传感器时,动脉血压作用在上塑料块,通过敏感振膜传递,再由下塑料块传递到压电陶瓷式悬臂梁的自由端,使压电陶瓷式悬臂梁弯曲变形,产生电荷,该电荷反映动脉血压的大小,从而达到测量目的。
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    6.3.6 监测结冰状况的冰传感器

    在冬季和温度较低的环境中经常出现结冰现象,其危害很大。铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、跑道结冰影响飞机安全飞行等。冰传感器可用来监测是否结冰、冰层厚度为多少。

    如图6-17所示,冰传感器是利用压电效应制成的,在电极1、2间加交变电压,压电晶体产生机械振动,这时系统的谐振频率为
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    冰层检测原理是:极板1 上无附加物时,以自身的谐振频率作机械振动;极板1 上有冰冻时,冰层增加系统刚度,谐振频率增大;冰层越厚,刚度增加越大,谐振频率越大。通过频率的测量就可以检测出结冰的情况。

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  • 压电式传感器原理及特点压电式传感器原理及特点
  • 压电式传感器 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,是一种典型的 物性 传感器。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,是典型的有源传感器。 特点: 体积小、重量轻、...

    压电式传感器

    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,是一种典型的 物性 传感器。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,是典型的有源传感器。

    特点:
    体积小、重量轻、工作频带宽,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航方面都得到了非常广泛的应用。

    压电效应与压电式传感器的工作原理

    1.1 压电效应
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    1.2 石英晶体的压电效应
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    1.3 陶瓷的压电效应
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    1.4 压电常数矩阵
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    对于石英晶体的分析,
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    对压电陶瓷的分析,
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    1.5 压电材料

    • 压电晶体
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    • 压电陶瓷
      钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷、聚偏二氟乙烯
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    压电传感器的等效电路与测量电路

    2.1 压电传感器的等效电路
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    实际使用中,为了提高灵敏度,压电元件常常采用两片或多片组合的工作方式。
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    2.2 电压放大器
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    2.3 电荷放大器
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    习题

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  • 压电式传感器介绍 压电效应 压电材料 压电式传感器的测量电路 等效电路 测量电路
  • 信息学院,传感器与检测技术(胡向东)第6章压电式传感器
  • 集成压电式传感器,详细讲述其原理及其应用
  • 压电式传感器是基于压电效应的传感器。在实际测试应用中需要大功率电源来驱动,这就需要使用压电陶瓷驱动器来驱动压电器件和传感器。传感器作为人类认识世界重要的媒介,将电、磁、声音等物理量转换为人们可认知的...

    压电式传感器是基于压电效应的传感器。在实际测试应用中需要大功率电源来驱动,这就需要使用压电陶瓷驱动器来驱动压电器件和传感器。传感器作为人类认识世界重要的媒介,将电、磁、声音等物理量转换为人们可认知的实体,新兴的MEMS工艺能够在硅基片上利用IC后处理工艺制作各种传感器,使传感器与传感器信号处理电路的片上集成成为可能,并最终实现传感器与传感器检测电路的单芯片集成。
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    压电传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电磁场引起晶体机械变形的现象。
    传感器无损检测的基本原理是:信号发生器产生信号,经压电陶瓷驱动器后,由激励线圈对铁磁性构件施加瞬间的激励磁场,由于磁致伸缩效应,激发构件产生机械波,机械波将沿构件轴向传播,如有缺陷信号,机械波反射回来,再由逆磁致伸缩效应接收线圈获得反射波信号,通过信号分析获得被测构件各处的损伤状况。用合适的压电陶瓷驱动器提供一定的能量驱动激励线圈,是实现基于磁致伸缩效应的无损检测的一个非常关键的一个环节。频率为100KHz,电流峰峰值为5A的正弦波信号驱动激励线圈,以期在被测构件中激励出磁致伸缩效应的机械波。
    Aigtek公司推出的全新系列ATA-3000压电陶瓷驱动器分为三个型号,根据电流和功率的大小进行划分,分为单端输出和差分输出两种方案提高输出的电压幅值大小,频率范围覆盖DC-100KHz,可放大任意品牌和型号的信号发生器产生的交、直流信号,最大输出功率810W,最大电流18A,驱动功率型负载。面板设有一键保存的按键,输入为BNC接口, 输入电阻50Ω、5kΩ两档可选,完美匹配高低内阻信号源。
    功率放大器的电压增益数控可调,具体分为粗调(1step)和细调(0.1 step)两种。结合液晶面板增益的显示,能够快速调整至需要的电压值。

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  • 在分析压电式传感器的信号适调特征基础上,介绍了新研制的集截止频率可程控的抗混叠滤波器与电荷放大器模块于一体的新型多功能电荷放大器适调模块和集截止频率可程控的抗混叠滤波器与恒流源于一体的新型多功能ICP...
  • 压电传感器是利用某些介质受力后产生的压电效应制成的传感器
  • 第5章 压电式传感器

    2010-06-14 14:58:48
    中坚力量士大夫奥斯破费卡式机佛扫发多艘欧赔大佛挂科
  • 又称自发电式传感器及电势式传感器。 压电传感器的工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。 特点:体积小、重量轻、结构简单、工作可靠; 适合动态力学测量,不能测量静态量。
  • 1 压电效应(Piezoelectric Effect) 某些介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生...若对上述介质施加电场作用时,同样会引起介质内部正负电荷中心的相对位移而导致介质产生变形,且其应...

    1 压电效应(Piezoelectric Effect)

    • 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,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,其又重新恢复到不带电状态,这种现象称压电效应。
    • 这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。
      这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。

    逆压电效应

    • 若对上述电介质施加电场作用时,同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形,且其应变S与外电场强度E成正比:S=dtE
      式中 dt——逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应,或称电致伸缩。
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    2 压电晶体

    • 石英晶体俗称水晶,有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃,晶体的结构为六角晶系的α-石英。其外形如图所示,呈六角棱柱体。有m、R、r、s、x共5组30个晶面组成。
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    居里点:丧失压电性的温度

    • 石英(SiO2)是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好。
    • 在20℃~200℃范围内,温度每升高1℃,压电系数仅减少0.016%。但是当到573℃时,它完全失去了压电特性,这就是它的居里点。

    3 压电陶瓷

    • 压电陶瓷是人工多晶铁电体,原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性,因此,必须作极化处理,即在一定温度下对其施加强直流电场,迫使电畴趋向外电场方向作规则排列;极化电场去除后,趋向电畴基本保持不变,形成很强的剩余极化,从而呈现出压电性。
    • 在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。
    • 压电陶瓷也具有压电效应和逆压电效应

    4 石英晶片的切型

    • 天然结构的石英晶体外形是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。
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    • 【注意】
      ① 当晶片受到x方向的压力作用时,qx只与作用力Fx成正比,而与晶片的几何尺寸无关;
      ② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的;
      ③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应;
      ④ 晶体在哪个方向上有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应;
      ⑤ 无论是正或逆压电效应,其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间皆呈线性关系。

    5 石英晶体产生压电效应的原理

    • 当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 此时他们的矢量和为0,所以呈现电中性
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    5.1 X轴方向施加力

    • 当晶体受到沿x方向的压力时,晶体沿x方向将产生收缩,正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合,电偶极矩P1减小,P2、P3增大。
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    • 在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0
    • 在x轴的正向出现正电荷,在y、z方向不出现电荷。
    • 同理,收到拉力时,在x轴的正向出现负电荷,在y、z方向不出现电荷。
    • 这种沿X轴施加力,而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应

    5.2 Y轴方向施加力

    -

    • 在x轴的正向出现正电荷,在y、z方向不出现电荷。
    • 同理,如果施加压力,在x轴的正向出现负电荷,在y、z方向不出现电荷。
    • 这种沿Y轴施加力,而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。
    • 由此看出,横向压电效应和纵向压电效应正好相反。

    5.3 在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下,晶体不产生压电效应。

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  • 压电式加速度传感器的传感元件为压电晶体。若沿压电晶体的极化方向施加一外力使其变形,则压电晶体内部发生极化,受力的两端面出现极性相反的电荷,若撤去外力,则压电晶体恢复到初始状态,这就是正压电效应。若沿...
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