《传感器与检测技术》胡向东ch05.

1同学们好！2压电器件受力、表面形变电荷3§5-1压电效应和压电材料一、压电效应1、正（顺）压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）4压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应二、压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度5类别材料成分特性石英晶体单晶体、水晶（人造、天然）SiO2d11=2.31×10-12C/N，压电系数稳定，固有频率稳定承受压力700-1000Kg/cm2压电陶瓷人造多晶体钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电系数高d33=190×10-11C/N品种多、性能各异新型压电材料压电半导体压电特性半导体特性集成压电传感器有机高分子压电材料质轻柔软、抗拉强度高、机电耦合系数高常用压电材料6三、石英晶体的压电特性石英居里点573℃，六角晶系结构光轴电轴机械轴xxfdq11xfyyyfbadfbadq1112yf7x轴方向受力：压力x轴方向受力：拉力y轴方向受力：压力y轴方向受力：拉力8四、压电陶瓷的压电现象人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴未极化前：不具压电性撤销外电场加外电场E9对外不呈极性加力F：放电现象取消F：充电现象机械能电能正压电效应：Fdq3310§5-2等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式（1）并联：UUqqCC,2,2（2）串联：UUqqCC2,,2111二、压电传感器的等效电路dSCe只适宜动态测量压电晶片：eCQU压电传感器：12压电传感器在实际测量系统中的等效电路13三、压电传感器的测量电路icCCCididRRRRR前置放大器的作用：（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器1、电压放大器tsinFFmtsinCFdCFdCqUemee14)(1CCRjRjFdeRCjRCjRCjRCjCjCFdUeei111111前置放大器输入端电压：222)(1icemiCCCRRFdU前置放大器输入端电压幅值：)(2iceCCCRarctg输入电压与作用力间的相位差：15时，1)(222iceCCCRicemiCCCFdU理想211)(11)(11iceCCCR)(iceCCCR时间常数222)(1)(iceiceiiCCCRCCCRUU理想222)(1icemiCCCRRFdU1612arctg)(2iceCCCRarctg输入电压与作用力间的相位差：211)(1||||理想iiUU1)(11iceCCCR)(iceCCCR时间常数17讨论：01）（时）（31,31211,331理想时）（iiUU0适合测量高频交变力由运算放大器构成的电压比例放大器18ffCqUU02、电荷放大器ficeCACCCAqU)1(0fCqfCqUK10灵敏度与电缆电容无关)(21cecHCCRf上限ffLCRf21下限19§5-3压电传感器的应用例1：压电式测力传感器压电式三向力传感器20例2：压电式压力传感器Fdq11SPF电极结构预紧力21例3：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹22例4：火炮堂内压力测试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。23例5：压电式加速度传感器madFdqCdmaCqUmaF——重块质量——加速度ma24例6：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验跌落高度h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度产品25例7：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体26例8：气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法27例9：振动测量仪加速度160ug~10g速度0.4~80cm/s振幅4um~8cm转换开关SA：V：D：amadFdq积分：振动速度、幅值28例10：压电式血压传感器例11：指套式电子血压计29例12：玻璃破碎报警器30例13：水深测量仪mMPa/01.031例14：逆压电效应的应用声表面波传感器vL延迟时间SAW振子：LC谐振回路lvf2振动频率32用于结冰状况监测的冰传感器结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：三电极片式压电器件：1电极金属平板2电极3电极压电晶体电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体33电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体电极1、2间加交变电压：压电晶体机械振动，系统的谐振频率：mkcf/k——等效刚度m——等效质量冰层检测原理：极板1上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；极板1上有冰冻：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。三电极压电元件：T型LC三端元件，构成振荡电路。341、“基于压电器件的冰传感器”，《仪表技术与传感器》，2001年9期参考文献：2、“压电式振动给料器的研制”，《传感器技术》，2001年4期35压电元件在使用时常采用多片串联或并联的形式，分析不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？在电荷放大器电路中，已知：410,10,,,100ApFCRRpFCFFe若考虑引线电容的影响，要求输出信号衰减小于1%，求：使用90pF/m的电缆其最大允许长度为多少？