檢測(cè)技術(shù)與儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告--壓電傳感器及其應(yīng)用-wenkub
2023-04-07 09:42:06 本頁(yè)面
【正文】 用；發(fā)展趨勢(shì)目 錄第一章 引言 4 背景介紹 4 目的和意義 4第二章 壓電效應(yīng) 5 5 壓電方程 5 5 6 6 6 7第三章 壓電材料 8 石英晶體 8 新型壓電材料 8第四章 壓電傳感器的測(cè)量電路 9 壓電晶片的連接方式 9 壓電傳感器的等效電路 10 壓電式傳感器的測(cè)量電路 11（阻抗變換器） 12 13第五章 壓電傳感器及其應(yīng)用 15 基本應(yīng)用 15 加速度傳感器 15 16 16 17 17 實(shí)際案例分析 17 壓電傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 18 18參考文獻(xiàn) 19第一章 引言 背景介紹壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。壓電材料 它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機(jī)壓電材料。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。60年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)了同時(shí)具有半導(dǎo)體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。掌握相關(guān)課題的資料收集、整理；方案的設(shè)計(jì)和對(duì)比；提高學(xué)生的分析、綜合能力以及工程設(shè)計(jì)中計(jì)算和繪圖的基本能力，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐作必要的準(zhǔn)備。第二章 壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。這時(shí)電極面所累積的電荷由于短路而流走，電壓保持不變。 開(kāi)路：兩電極間外電路的電阻比壓電陶瓷片的內(nèi)阻大得多，可認(rèn)為外電路處于開(kāi)路狀態(tài)。方程為：式中，第一個(gè)方程敘述了正壓電效應(yīng)，而第二個(gè)方程敘述了逆壓電效應(yīng)。第二類壓電方程邊界條件為機(jī)械夾持和電學(xué)短路，應(yīng)變S和電場(chǎng)強(qiáng)度E為自變量，應(yīng)力T和電位移D為因變量（ansys中所應(yīng)用的就是這個(gè)方程）：式中，c—彈性剛度常數(shù)；e—壓電應(yīng)力系數(shù)；et—e的轉(zhuǎn)置。sD為恒電位移（開(kāi)路）時(shí)彈性柔順系數(shù)。第三章 壓電材料 石英晶體典型的石英的化學(xué)成分為SiO2，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英（a石英），是石英族礦物中分布最廣的一個(gè)礦物種。純凈的石英無(wú)色透明，玻璃光澤，貝殼狀斷口上具油脂光澤，無(wú)解理。壓電材料具有增加電壓產(chǎn)生伸縮、增加壓力產(chǎn)生電壓的特性，廣泛應(yīng)用于電能與機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的換能器制造，是蜂鳴器、噴墨印刷機(jī)等不可缺少的材料。在理論上可實(shí)現(xiàn)最大5%的移動(dòng)。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。 壓電傳感器的等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。 （b） 電荷源 實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。 （b） 電荷源 利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 （b） 等效電路在圖43（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，則其電壓為 式中： Um——壓電元件輸出電壓幅值， Um=dFm/Ca； d——壓電系數(shù)。電荷放大器等效電路電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。 在實(shí)際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100~104pF。
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