检测技术与仪表课程设计

昆明理工大学课程设计1摘要压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部产生极化现象，会在其表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后它又会恢复到不带电的状态，物体产生的电荷与外力成正比，电荷的极性随外力方向改变而变化，这种现象称为压电效应。压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电传感器广泛应用在科学研究、教学试验上。压电式传感器大致可以分为4种，即:压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。关键词：压电效应；工作原理；组成结构；测量原理图；特性及参数选择；应用；发展趋势昆明理工大学课程设计2目录引言................................................................................................................................31压电效应及压电方程.............................................................................................31.1压电效应......................................................................................................31.2压电方程......................................................................................................41.2.1第一类压电方程................................................................................41.2.2第二类压电方程................................................................................51.2.3第三类压电方程................................................................................51.2.4第四类压电方程................................................................................52压电材料.................................................................................................................62.1石英晶体......................................................................................................62.2压电陶瓷......................................................................................................73压力传感器测量电路.............................................................................................73.1压电晶片连接方式......................................................................................74基本应用...............................................................................................................114.1加速度传感器............................................................................................124.1.1压电式加速度计的结构和安装......................................................124.1.2压电式加速计的灵敏度..................................................................134.1.3常见性能参数..................................................................................145压电式加速计的实际应用...................................................................................146压电式传感器的发展趋势...................................................................................166.1压电式振动加速度传感器在航空发动机中的应用................................166.1.1压电式振动加速度传感器的主要特点..........................................176.2航空发动机测振用加速度传感器的发展趋势........................................17总结..............................................................................................................................17参考文献......................................................................................................................18昆明理工大学课程设计3引言背景介绍：压电传感器是基于压电效应的传感器，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，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。压电式传感器的应用:压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。1压电效应及压电方程1.1压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称昆明理工大学课程设计4为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。1.2压电方程压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。但是由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片（振子）可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。四类边界条件为：1、电学边界条件：电学边界条件分为短路和开路短路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持不变。它的上标用E表示。开路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。这时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变。它的上标用D表示。2、机械边界条件;机械边界条件分为自由和夹紧自由：用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自由的，片子可以自由变形。它的上标用T表示。夹紧：用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，即片子的边界条件是机械夹紧的。它的上标用S表示。四类边界条件对应四类压电方程，根据不同的边界条件选择不同的压电方程。1.2.1第一类压电方程第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。方程为：式1昆明理工大学课程设计5式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。式中d为压电常数，dT—d的转置；s—弹性柔顺常数；ε—介电常数。而εT和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时的弹性柔顺系数。1.2.2第二类压电方程湿敏元件比来表示灵敏度。第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应用的就是这个方程）：式2式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e的转置。εS为应变恒定时的介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路）的弹性刚度系数。1.2.3第三类压电方程第三类压电方程边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量：式3式中，β—自由倒介电常数；g—压电应变常数；gT—g的转置。βT为恒应力作用下的介质的隔离率。sD为恒电位移（开路）时弹性柔顺系数。1.2.4第四类压电方程第四类压电方程边界条件为机械夹持和电学开路，应变S和电位移D为自变量，应力T和电场强度E为因变量：式4昆明理工大学课程设计6式中，h—压电应力常数；ht—h的转置。βS为恒应变下（夹紧）的介质隔离率；cD为恒电位移（开路）时弹性刚度系数。理解并掌握了压电理论的基础知识、熟悉压电陶瓷的极化和压电方程等对于全面理解压电换能器的工作原理提供了相关的理论基础，因此是十分必要的。2压电材料压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛