壓電傳感器ppt課件(編輯修改稿)
2025-05-30 18:11 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 極化后 252。 在陶瓷上施加外電場(chǎng)（ 20～ 30kV／ cm）時(shí)，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)方向一致，從而使材料得到極化，此時(shí)壓電陶瓷具有一定極化強(qiáng)度。當(dāng)（ 2～ 3h后 ）外電場(chǎng)撤銷，各電疇的自發(fā)極化在 一定程度 上按原外加電場(chǎng)方向取向，陶瓷極化強(qiáng)度并不立即恢復(fù)到零，存在 剩余極化強(qiáng)度 。同時(shí)陶瓷片極化的 兩端出現(xiàn)束縛電荷 ，一端為正，另一端為負(fù)。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(lái)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(duì)外不呈現(xiàn)極性 。 252。 如果在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力（壓力），陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變小，電躊發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，束縛電荷減少。因此吸附在其表面的自由電荷，有一部分被釋放而呈現(xiàn) 放電 現(xiàn)象。252。 當(dāng)撤銷壓力時(shí)，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的束縛電荷之間距離變大，極化強(qiáng)度增大，因此又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn) 充電 現(xiàn)象。 這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，就是壓電陶瓷的正壓電效?yīng)。 放電電荷的多少與外力成正比例關(guān)系。即 式中 d33 —— 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F —— 作用力。 主要特性： （ 1） 機(jī) 電轉(zhuǎn)換性能：應(yīng)具有較大的壓電常數(shù) d。 （ 2） 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。 （ 3） 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特性。 （ 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。 （ 5） 時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。居里點(diǎn)： 壓電材料 開始喪失壓電性 的 溫度 。 1880年法國(guó)物理學(xué)家 。 第二節(jié) 壓電材料的主要特性 當(dāng)壓電晶體片受力時(shí)，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(gè)電容器的兩個(gè)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(gè)電荷發(fā)生器，同時(shí)也是一個(gè)電容器。其電容量為 S—— 極板面積（壓電片面積）； h —— 壓電片厚度；?r—— 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；?0 —— 真空介電常數(shù)。 一、壓電式傳感器的等效電路第三節(jié) 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 對(duì)此式可用兩種電路來(lái)等效壓電式傳感器：v 電壓等效電路： 一個(gè)電壓源與一個(gè)電容 Ca串聯(lián)構(gòu)成，此電路輸出為 電壓源 兩極板間的開路電壓為 只有在外電路負(fù)載無(wú)窮大，且內(nèi)部無(wú)漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓U才能長(zhǎng)期保持不變；如果負(fù)載不是無(wú)窮大，則電路就要以時(shí)間常數(shù) RLCa按指數(shù)規(guī)律放電。 v 電荷等效電路： 電荷源與一個(gè)電容 Ca并聯(lián)構(gòu)成，此電路輸出為 此時(shí)，該電路被視為一個(gè)電荷發(fā)生器。 電荷源 壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)要與 測(cè)量?jī)x器或 測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中的等效電路就應(yīng)如圖所示。 壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式：252。 電壓靈敏度 ： Ku = U／ F， 它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；252。 電荷靈敏度 ： Kq = Q／ F， 它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。 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(wú)泄漏的情況下才會(huì)長(zhǎng)期保存，因此需要測(cè)量電路具有無(wú)限大的輸入阻抗，而實(shí)際上這是不可能的。所以壓電傳感器 不宜作靜態(tài)測(cè)量 ，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器 只宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量 。 要使單壓電晶片表面產(chǎn)生足夠的表面電荷需要很大的作用力，所以在實(shí)際使用中常把兩片或兩片以上的壓電片組合在一起。圖中是幾種結(jié)構(gòu)原理圖。疊層式壓電組件結(jié)構(gòu)形式 制作壓電傳感器時(shí)，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。由于壓電晶片有電荷極性，因此接法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。（ a）并聯(lián) （ b）串聯(lián) 并聯(lián)連接式壓電傳感器的輸出電容和極板上的電荷分別為單塊晶體片的 2倍，而輸出電壓與單片上的電壓相等。即 串聯(lián)時(shí)，輸出總電荷 Q 等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的 2倍，總電容應(yīng)為單片的 1/2。即 壓電片的連接方式三、壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 壓電元件實(shí)際上可以等效為一個(gè)電容器，因此，它也存在著與電容傳感器相同的問(wèn)題，即具有 高內(nèi)阻 （ Ra≥1010Ω） 和 小功率 的問(wèn)題，對(duì)于這些問(wèn)題可以使用轉(zhuǎn)換電路來(lái)解決。 為了保證壓電傳感器的測(cè)量誤差小到一定程度，則要求負(fù)載電阻RL 要大到一定數(shù)值，才能使晶體片上的漏電流相應(yīng)變小，因此在壓電傳感器輸出端要接入一個(gè) 輸入阻抗很高的前置放大器 ，然后再接入一般的放大器。其目的： 一是將它的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出，二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。 根據(jù)前面的等效電路，壓電傳感器的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。 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(zhǎng)度無(wú)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) 。 電荷放大器 能將 壓電傳感器輸出的 電荷轉(zhuǎn)換為電壓（ Q/U轉(zhuǎn)換器），但 并無(wú)放大電荷的作用 ，只是一種習(xí)慣叫法。圖 電荷放大器等效電路（ ） 電荷放大器的輸出電壓只與 輸入電荷
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