壓電傳感器ppt課件-wenkub
2023-05-18 18:11:52 本頁面
【正文】 于它沒有運(yùn)動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。當(dāng)材料受力作用變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（發(fā)電型傳感器）。 第一節(jié) 壓電式傳感器的工作原理一、壓電效應(yīng) 二、壓電材料三、壓電機(jī)理 一、壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。 在自然界中，大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，然而大多數(shù)晶體的壓電效應(yīng)都十分微弱。 ⑴ 壓電晶體 ⑵ 壓電陶瓷 ⑶ 新型壓電材料 壓電材料可以分為三大類⑴ 壓電晶體① 石英晶體： 俗稱水晶，化學(xué)成分為 SiO2，有天然和人工之分。 所以石英是制備壓電傳感器的理想壓電材料。 4H2O） 、 酒石酸乙烯二銨（ C6H4N2O6） 等，還有正方晶系如磷酸二氫鉀 （ KH 2PO4） 、 磷酸二氫氨 （ NH 4H2PO4） 等等 。 壓電陶瓷具有明顯的熱釋電效應(yīng)。g2）鋯鈦酸鋇系列壓電陶瓷（ PZT）由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固體熔體。壓電陶瓷外形 無鉛壓電陶瓷及其換能器 外形 （ 上海硅酸鹽研究所研制） ⑶ 新型壓電材料 ① 壓電半導(dǎo)體 1963年以來出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅（ ZnS）、碲化鎘（ CdTe）、 氧化鋅（ ZnO）、 硫化鎘（ CdS）、 碲化鋅（ ZnTe） 和砷化鎵（ GaAs） 等。 其中以 PVF2和 PVDF的壓電常數(shù)最高。經(jīng)過 極化處理 后就顯現(xiàn)出壓電特性。例如在它的兩側(cè)面施加高電壓音頻信號時，可以制成特大口徑的壁掛式低音喇叭。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜壓電式腳踏報警器 高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng) ）壓電材料的壓電特性常用壓電方程來描述： qi= dij ?j 或 Q = dij F dij — 壓電常數(shù)（ C／ N），（ i = 1， 2， 3， j = 1， 2， 3， 4， 5， 6）；q — 電荷的表面密度（ C／ cm2），? — 單位面積上的作用力，即應(yīng)力（ N／ cm2）；Q — 總電荷量（ C）， F — 作用力 （ N） 。三、壓電機(jī)理 單向應(yīng)力的符號規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號用右螺旋定則確定。 壓電材料的壓電特性可用它的壓電常數(shù)矩陣表示： 石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)，屬六角晶系，其形狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。圖 61表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是六角形晶柱，在晶體學(xué)中可以用三根相互垂直的軸來表示。圖 61 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 當(dāng)晶體沿電軸（ x軸）方向受到 壓力 時，晶格產(chǎn)生變形，硅離子的正電荷中心上移，氧原子的負(fù)電荷中心下移，正負(fù)電荷中心分離，在晶體的 x面的后表面產(chǎn)生正電荷 ，前表面出現(xiàn)負(fù)電荷而形成電場。 ? 同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（ y軸）方向受到壓力時，也產(chǎn)生晶格變形，硅離子的正電荷中心下移，氧原子的負(fù)電荷中心上移，在 x面的后表面 產(chǎn)生負(fù)電荷，前表面產(chǎn)生正電荷，這個過程恰好與 x軸方向受壓力時所產(chǎn)生的電場方向相反。 在晶體彈性限度內(nèi)，在電軸（ x軸）方向施加 壓力 Fx時，在與電軸 x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷， 其大小為 () 式中 , d11為 x方向受力的壓電系數(shù)。 壓電陶瓷是人工多晶體（無數(shù)微細(xì)的單晶組成）， 它的壓電機(jī)理與石英晶體不同 。 未極化 正在極化 極化后 252。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的極化兩端面很快吸附一層來自外界的 自由電荷 ，自由電荷與束縛電荷數(shù)值相等、極性相反，因此 陶瓷片對外不呈現(xiàn)極性 。252。即 式中 d33 —— 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F —— 作用力。 （ 4） 溫度和濕度穩(wěn)定性良好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較寬的工作溫度范圍。 第二節(jié) 壓電材料的主要特性 當(dāng)壓電晶體片受力時，在晶體片的兩表面上聚集等量的正、負(fù)電荷，晶體片的兩表面相當(dāng)于一個電容器的兩個極板，兩極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，因此壓電傳感器可以看做一個電荷發(fā)生器，同時也是一個電容器。 電荷源 壓電傳感器在實(shí)際使用時要與 測量儀器或 測量電路 相連接，因此還必須考慮連接電纜的等效電容 Cc ， 放大器的輸入電阻 Ri 和 輸入電容 Ci ， 以及壓電式傳感器的泄漏電阻 Ra ， 這樣壓電式傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路就應(yīng)如圖所示。 它們之間的關(guān)系是電壓源等效電路 電荷源等效電路 二、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷，該電荷只有在無泄漏的情況下才會長期保存，因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗，而實(shí)際上這是不可能的。疊層式壓電組件結(jié)構(gòu)形式 制作壓電傳感器時，可采用兩片或兩片以上具有相同性能的壓電晶片粘貼在一起使用。即 壓電片的連接方式三、壓電式傳感器的信號調(diào)理電路 壓電元件實(shí)際上可以等效為一個電容器，因此，它也存在著與電容傳感器相同的問題，即具有 高內(nèi)阻 （ Ra≥1010Ω） 和 小功率 的問題，對于這些問題可以使用轉(zhuǎn)換電路來解決。 2. 電荷放大器 電荷放大器 ? 它能將高內(nèi)阻的 電荷源 轉(zhuǎn)換為低電阻的 電壓源 ，而且輸出電壓正比于輸入電荷，同樣起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá) 1010~1012Ω， 輸 出阻抗小于 100 Ω，優(yōu)點(diǎn)是在一定條件下， 傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān) ，電荷放大器的輸出電壓僅與 輸入電荷和反饋電容有關(guān) 。輸出電壓與電纜電容無關(guān)，要滿足 （ 1+K） Cf﹥
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