压电式传感器.docx

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压电式传感器

课题

项目力传感器任务1：

压电式传感器

课程名称

传感器基础知识

授课类型

新授

班级

日期

课时

4

教学目标

知识目标：

掌握压电式传感器应用工作原理，压电材料的种类和特性

能力目标：

制作脉搏声光显示器的安装与测试

情感目标：

认识脉搏声光显示器

教学重点

压电式传感器应用

教学难点

制作脉搏声光显示器

教学方法

讲述法，实践操作法；练习法；案例教学法

课前准备

传感器电子元器件力传感器电阻三极管电源，电源，万用表

教学后记及改进措施

课堂教学安排

2、力传感器

压电效应

1、工业里的测量

2、力传感器分类

1）转换原理分：

压电式传感器，电阻式传感器，电容式传感器，电磁式传感器

2）、被侧对象分：

扭力矩传感器，压力传感器，差压传感器，加速度传感器

3、压电式传感器优点：

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、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广泛的应用。

日常生活中常见的话筒（咪头），玩具中的蜂鸣器，水声换能器中的一大类，都应用了压电材料的压电效应或逆压电效应。

4、电阻应变式传感器：

压电式传感器

煤气杜电子点火装置

5、压电材料：

像压电晶体这样，能在力的作用下，发生变形，产生电荷的材料，称为压电材料。

压电材料在力的作用下，产生电荷量与力的大小成正比的关系，

一、压电效应

1、压电效应：

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。

当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。

有时人们把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。

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“逆压电效应”（电致伸缩效应）。

2、能量转换：

压电材料能实现机—电能量的相互转换,

课堂教学安排

压电材料

压电材料的特性

3、压电材料

具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。

常见的压电材料有石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅，压电陶瓷、高分子压电材料等

压电效应是可逆的

4、压电材料的特性

压电材料的种类很多。

从取材方面看，有天然的和人工合成的，有有机的和无机的。

从晶体结构方面讲，有单晶的和多晶的。

压电式传感器中压电元件的材料选用，应考虑以下几方面的特性。

（1）压电常数：

压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度

（2）弹性常数：

压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。

（3）介电常数：

对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

（4）机械耦合系数：

在压电效应中,其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

（5）绝缘电阻电阻压电材料的绝缘电阻：

绝缘电阻大，将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。

6）居里点：

压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。

7）转换性能这个特性表明了压电材料“压电”转换的效率。

压电材料应具有较大的压电常数或机电

（8）机械性能压力元件作为受力元件，希望它的机械强度大，机械刚度大，以便获得较宽的线性范围和较高的固有频率。

（9）电性能希望压电材料具有高的电阻率和大的介电常数，这样才能减弱分布电容的影响，使压电传感器的频率下限向下延伸。

压电材料分类

（10）温度性能要求压电材料具有较高的居里点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居里点是压电材料开始失去压电性的温度。

（11）时间稳定性要求压电材料的压电特性不随时间蜕变

5、压电材料分类

1）压电晶体

具有压电性的单晶体统称为压电晶体

石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。

压电石英的主要性能特点：

（l）压电系数小，但其时间和温度稳定性极好。

常温下几乎不变。

在20~200℃范围内其温度变化率仅为-0.16%/℃

（2）机械强度和品质因素高，最大安全应力高达95~100MPa，且刚度大，固有频率高，动态特性好。

（3）居里点573℃。

（4）无热释电性，且绝缘性、重复性均好。

天然石英的上述性能尤佳。

因此，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。

2）压电陶瓷

压电陶瓷的特点是：

压电系数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本

低廉，利于广泛应用。

压电陶瓷：

人造的多晶体压电材料

最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。

它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。

它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。

目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅PZT系列，它是钛酸钡BaTiO3和锆酸铅PbZrO3组成的Pb（ZrTi）O3

它有较高的压电系数和较高的工作温度。

3）有机高分子压电材料

压电式传感器测量电路

二、压电式传感器测量电路

：

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阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大

根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号，因此设计前置放大器也有两种形式：

一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。

1、等效电路：

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的电压源，

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，也可以是电压信号，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式。

2、电荷放大器：

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。

电荷放大器

并联输出型压电元件可以等效为电荷源。

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

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影响可以忽略不计。

3、电压放大器

串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗

三、压电式传感器的应用特点

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

1、压电式测力传感器

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的力—电转换装置。

常用的形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成

传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为0.1～0.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。

石英晶片采用xy切型,利用其纵向压电效应,通过d11实现力—电转换。

石英晶片的尺寸为φ8×1mm。

该传感器的测力范围为0～50N,最小分辨率为0.01,固有频率为50～60kHz,整个传感器重10g。

压电式压力传感器

压电式加速度传感器

2、压电式压力传感器

按用途和压电元件的组成可分为单向力、双向力和三向力传感器

基于压电效应的压力传感器。

它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。

膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成（见图）。

压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号（见压电式传感器）。

这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。

现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。

3、压电式加速度传感器

它主要由压电元件、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。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即

F=m·a

玻璃打碎报警装置

小结

压电式加速度传感器的特点是量程大、频带宽、安装简单、适用于各种恶劣环境、体积小、重量轻。

它广泛应用于振动冲击测试、信号分析、故障

诊断，振动校准等方面。

4.玻璃打碎报警装置

将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。

压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。

传感器把振动波转换成电压输出输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。

为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而带外衰减要尽量大。

由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内,这就使滤波器成为电路中的关键。

当传感器输出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号,驱动报警执行机构工作。

小结：

1、什么是正压电效应和逆压电效应

2、压电传感器能否用于静态测量?

3、电荷放大器和电压放大器有何特点？

它们分别适用于什么场合？

制作脉搏声光显示器

实操、制作脉搏声光显示器

一、实操器材

二、实操内容及步骤

1、识别，检测元器件

1）对元器件的数量，型号，规格，进行清点，用万用表的电阻档，对电阻器，电容器，二极管，三极管进行检测。

1）、识别集成电路

2、电路装接

注意连焊，漏焊，虚焊现象

3、电路调试

接通电源，看扬声器是否工作，

如果不行，可用万用表碱性检测

三、注意事项