【正文】 圖 232 高分子壓電薄膜振動感應片 壓電式動態(tài)力傳感器以及在 車床中用于動態(tài)切削力的測量 壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用 壓電式步態(tài)分析。壓電薄膜感受到這一振動，并將這一振動轉換成電壓信號傳送給報警系統。結構中的彈簧是給壓電晶片施加預緊力的，預緊力應適中。這種傳感器主要用于變化頻率不太高的動態(tài)力的測量。 壓電式傳感器的應用 ?被測力通過傳力上蓋使壓電陶瓷片受壓力作用而產生電荷。常為 當 A1，而 (1+A)Cf Ca+Cc+Ci時，放大器輸出電壓可以表示為 4610 ~ 100fQUC??其他電荷放大器外形 面板式電荷放大器 壓電傳感器只能應用于動態(tài)測量 由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器 不能用于靜態(tài)測量 。圖中 Cf為放大器的反饋電容，其余符號的意義與電壓放大器相同。它實際上是一個具有反饋電容的高增益運算放大器。在設計時，通常把電纜長度定為一常數，使用時如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。 ?壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器 和電荷放大器 。圖２ 2６ 畫出了壓電傳感器完整的等效電路。 ?串聯接法輸出電壓高，自身電容小 ，適用于以電壓為輸出量，以及測量電路輸入阻抗很高的場合。上極板為正電荷，下極板為負電荷，而中間極板上，上片產生的負電荷與下片產生的正電荷抵消，這種接法稱為 串聯 。 ? 由于電容器上的電壓 （開路電壓）、電荷 與電容 存在下列關系： 圖 225 壓電元件的等效電路 aaQuC?au Q aC因此，壓電元件也可以等效為電壓源和一個電容串聯的等效電路，如圖 225b所示 ? 如上圖所示，兩片壓電片負極都集中于中間電極上，正極在上下兩面電極上。 可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 壓電式傳感器的等效電路 ? 由壓電傳感器的工作原理可知，只要測得壓電元件上的電荷量，就可得知作用力的大小，壓電元件就像當于一個 電荷源 。 ? 高分子壓電材料的最大特點是具有柔軟性，可根據需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經極化處理后就現出壓電特性。 3. 高分子的壓電材料 ? 高分子的壓電材料是一種新型的材料，有 聚偏二氟乙烯（ PVF2）、聚偏氟乙烯（ PVDF） 、聚氟乙烯（ PVF）、改性聚氟乙烯（ PVC） 等，其中以 PVF2和 PVDF的 壓電常數 最高。于是，燃氣就被電火花點燃了。 例子 當你在點燃煤氣灶或熱水器時 ,就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 應用 ? 壓電點火器 、移動X光電源、炮彈引爆裝置。 （二）壓電陶瓷的特點 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷 。當壓電陶瓷受到力的作用時，極化強度就發(fā)生變化，在垂直于極化方向上的平面上就會出現電荷。所謂 極化處理 就是在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷 施加強電場 ，使極性軸轉動到接近電場方向，規(guī)則排列，如圖 223b所示。因此，雖然每個單晶具有強的壓電性質，但組成多晶后，各單晶的壓電效應卻互相抵消了，所以，原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，不具有壓電效應。 晶振 石英晶體的應用 ? 用于制造選擇和控制頻率的電子元器件，廣泛應用于電子信息產業(yè)各領域，如彩電、空調、電腦、 DVD、無電線通訊等，尤其在高性能電子設備及數字化設備中應用日益擴大。 ? 靈敏度低 ,介電常數小 。 ? 溫度穩(wěn)定性好 ,壓電常數幾乎不隨溫度變化 。 122. 3 10XX Cd N???? 如果沿 Y軸方向作用壓力 Fy時，電荷仍出現在與 X軸相垂直的平面上，橫向壓電效應產生的荷量為 式中， QXY為在 垂直于 X軸平面上的電荷 , dXY為在垂直于 X軸平面上產生電荷時的壓電系數（橫向壓電系數 ） ； FY為沿晶軸 Y方向施加的壓力。 ? 由上式看出，當晶片受到 X向的壓力作用時， QXX 與作用力 Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關。當沿著Z軸方向受力時不產生壓電效應。當沿著 X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于 X軸的表面上產生電荷，這種現象稱為 縱向壓電效應 。這就是適應晶體壓電效應 產生的過程。 在 Y方向施加 壓力 時，晶格沿 y軸被向內壓縮，A面呈現正電荷， B面呈現負電荷 在 Y方向施加 拉力 時，晶格在 y向被拉長， X向縮短， B面呈現正電荷， A面呈現負電荷。 F yF yB+++++++A++ +c ） y 軸 方 向 施 加 壓 力B+++++++AF xF x++ +b ） x 軸 方 向 施 加 拉 力++ +B++ +++++AF xF x++ +B++ +++++AF yF yd ) y 軸 方 向 施 加 拉 力a ） x 軸 方 向 施 加 壓 力圖 222 石英晶體的結構及壓電效應 當在 X軸向施加壓力 時， 各晶格上的帶電粒子均產生相對位移 ，氧離子擠入兩個硅離子之間，而硅離子也擠入兩個氧離子之間，正電荷中心向 B面移動，負電荷中心向 A面移動，因而 B面呈現正電荷， A面呈現負電荷。 圖 221 石英晶體結構 F 石英晶體壓電效應演示 ?力的方向改變時，電荷的符號也隨之改變，外力去掉后，電荷消失。 圖 221是天然石英晶體的外形圖 。 石英晶體 天然形成的石英晶體外形 石英晶體切片及封裝 石英晶體薄片 雙面鍍銀及封裝 1 . 石英晶體的壓電效應 ? 石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體 。 壓電材料或元件的分類 單晶壓電晶體 (如石英晶體 )天然存在。這種現象稱為 壓電逆向效應（電致伸縮效應）。 ? 壓電材料還具有與此效應相反的效應，即在電介質的極化方向施加 交變電場 ，它會產生 機械變形 。 ? 傳感器的標定（ P151） ? 準備 1：擴散硅壓阻式壓力傳感器工作原理和特點（ P177） ? 準備 2：壓電式傳感器工作原理（ P145） ? 準備 3:壓電材料及其特點（ P147） ? 準備 4:壓電式傳感器測量電路（ P148） ? 準備 5：壓電式傳感器應用（ P150） ? 準備 6:電容式傳感器的測量原理 ,分類和特點 (P163167) ? 準備 7:電容式傳感器的測量轉換電路 (上網找 ) ? 準備 8:電容式傳感器的應用 (差動電容式差壓變送器 ,上網找 ) 準備 ? 準備 1：通用量具的種類及應用場合 \使用注意事項 （上網找） ? 準備 2： 游標卡尺原理、讀數及使用 （上網找） ? 準備 3： 外徑千分尺原理、讀數及使用 （上網找） ? 準備 4：自感式傳感器工作原理和測量電路（上網找） ? 準備 5：差動變壓器式傳感器工作原理和測量電路（ P169） ? 準備 6： 電 感式傳感器的應用（上網找） ? 準備 7： 電渦流式傳感器及其應用（ P90，上網找） 壓電傳感器 工作原理 ? 壓電效應 某些晶體受一定方向外力作用而發(fā)生 機械變形 時，相應地在一定的晶體表面產生 符號 相反 的電荷 ，外力去掉后，電荷消失。 ? 壓電傳感器具有體積小、重量輕、工作頻帶寬、靈敏度及測量精度高等特點，又由于沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性和穩(wěn)定性高。 ? 壓電傳感元件是一種力敏感元件，凡是能夠變換為力的物理量，如應力、壓力、振動、加速度等，均可進行測量，但 不能用于靜態(tài)力測量 。（ Rw 確定后不能改動） 4．旋動測微頭推進電容傳感器的共享極板（下極板），每隔 記下位移量 X 與輸出電壓值 V 的變化，填入下表 電容式傳感器的位移特性實驗 五、實驗報告： 1．根據表 的數據計算電容傳感器的系統靈敏度 S 和非線性誤差 δf。 3．接入177。 圖 249 電容式荷重傳感器結構示意圖 返回本章目錄 電容式傳感器的位移特性實驗 一、實驗目的： 了解電容傳感器的結構及特點 二、實驗儀器： 電容傳感器、電容傳感器模塊、測微頭、數顯直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、絕緣護套 實驗內容與步驟 1．按圖將電容傳感器安裝在電容傳感器模塊上，將傳感器引線插入實驗模塊插座中。它是在 鎳鉻鉬鋼塊上加工出一排等尺寸等間距的圓孔 ，在圓孔內壁上粘貼上有 絕緣支架的平板式電容器 ，再將每個電容器并聯連接。目前大多數壓力變送器自帶液晶數碼顯示器，可以在現場讀取測量值。當有壓力作用在膜片上時， C1≠C2，在負載電阻上的平均電流不為零， RL上有信號輸出。當 e為負半周時， VD2導通， VD1截止，電容 C2充電電壓 E，電流經 R2流向 R1，與此同時， C1通過 R1向 RL放電。電容式壓力傳感器測量電路常采用雙 T形電橋電路，如圖 2所示 ? 圖 2中， e為對稱方波的高頻信號源； C1和 C2為差動式電容式傳感器的一對電容；RL為測量儀表的內阻； VD1和 VD2為兩個二極管； R1和R2為固定電阻。彈性膜片的微小位移就可以使電容量變化100pF以上。它以熱脹冷縮系數很小的兩個凹形玻璃圓片上的鍍金薄膜作為頂級板，兩個凹形鍍金薄膜與夾緊在它們中間的彈性平膜片組成 C1和 C2。圖中所示膜片為動電極，兩個在凹形玻璃上的金屬鍍層為固定電極，從而構成差動電容器。 裝有傳感器的假人 氣囊 汽車氣囊的保護作用 使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經控制系統使氣囊迅速充氣 。 加速度傳感器在汽車中的應用 加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。由于硅的彈性滯后很小，且懸臂梁的質量很輕，所以頻率響應可達 1kHz以上，允許加速度范圍可達 10g 以上 。與加速度測試單元封裝在同一殼體中的信號處理電路將 Δ C 轉換成直流輸出電壓。其左端固定在襯底上，所以相當于 懸臂梁 。圖中的底層多晶硅和頂層多晶硅固定不動。 硅微加工加速度傳感器原理 1—加速度測試單元 2—信號處理電路 3—襯底 4—底層多晶硅（下電極） 5—多晶硅懸臂梁 6—頂層多晶硅（上電極） 利用微電子加工技術，可以將一塊多晶硅加工成多層結 構。 設定按鈕 智能化液位限位傳感器的設定按鈕 超限燈 正常工作指示燈 設定按鈕 電源 指示燈 硅微加工加速度傳感器 圖示加速度傳感器以微細加工技術為基礎，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。 液位限位傳感器的設定 智能化液位傳感器的設定方法十分簡單： 用手指壓住設定按鈕，當液位達到設定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設定。當液位到達設定值時，它輸出低電平。 圖 246 電容式測厚儀原理圖 12C C C??電容式液位計 棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的電容變大。把兩塊極板用導線連起來就成為一個極板，而帶材則是電容器的另一極板，其總電容 。其工作原理如圖 246所示。當被測量變化使傳感器電容改變時，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，即振蕩器頻率受傳感器電容所調制，因此稱為調頻電路。 1. 橋式測量電路 1 3 2 401 2 3 4()( ) ( ) iZ Z Z ZUUZ Z Z Z????101()Z j C C?? ?? 001ZjC??243 橋式測量電路 U iU 0C x 1 Z2Z 3Z 4U iU 0C x 1 C x 2Z 3Z 4a ) 單臂電橋 b ) 雙臂電橋0014 iCUUC??