第六章 压电式传感器
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P 130
1
补充:
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Baidu Nhomakorabea它们 分别适用于何种应用场合?
51
泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电特性的温度
5
常用压电材料
类 别
石英晶体
材 料
单晶体、水晶 (人造、 天然)
成 分
SiO2
特 性
d11=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 新型压电 材料
人造多晶体
钛酸钡、锆钛酸 压电系数高 d33=190×10-11C/N 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
6
压电半导体 有机高分子 压电材料
石英晶体
7
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
fy
qx d 11 fx a a qy d 12 fy d 11 fy b b
fx
8
9
10
11
12
13
14
四、压电陶瓷的压电现象
15
E
加外电场
撤销外电场
A: 加速度 160 ug ~ 10 g 转换开关S V: 速度 0.4 ~ 80 cm/s
D:振幅 4 um ~ 8 cm
38
例8: 压电式血压传感器
例9:指套式电子血压计
39
例10:玻璃破碎报警器
粘贴 位置
40
例11:水深测量仪
0.01MPa / m
41
例12 压电式脚踏报警器
42
例13 交通监测 • 将高分子压电电缆埋 在公路上,可以获取 车型分类信息(包括 轴数、轴距、轮距、 单双轮胎)、车速监 测、收费站地磅、闯 红灯拍照、停车区域 监控、交通数据信息 采集(道路监控)及 机场滑行道等。
16
对外不呈极性
加力F:放电现象 取消F:充电现象
机械能 正压电效应
电能
17
18
五 等效电路和测量电路
1、压电晶片的连接方式
(1)并联:
C 2C, q 2q,U U
1 C C , q q,U 2U 2
(2)串联:
19
2、压电传感器的等效电路
20
21
结
压电器件
电荷
49
工作原理
正压电效应 逆压电效应 石英晶体
常见的压电材料
灵敏度与传感器 到放大器的连接 人造压电陶瓷 电缆有关
测量电路
电压放大器 电荷放大器
灵敏度只与放大 器的反馈电容有 高阻抗输出转换为低阻抗输出 关
前置放大器
信号进行放大
应用:测量最终能够变换成力的物理量,如 位移、加速度等。
50
六 压电传感器的应用
例1: 压电式测力传感器
32
例2: 压电式压力传感器
电极结构 预紧力
q d 11 F
F PS
33
例3:压电引信 压电陶瓷:弹丸起爆装置——破甲弹
34
例4:压电式加速度传感器
F ma m —— 重块质量 a —— 加速度
q d F d ma
43
高分子压电电缆的应用演示 • 将两根高分子压 电电缆相距若干 米,平行埋设于 柏油公路的路面 下约5cm,可以 用来测量车速及 汽车的载重量, 并根据存储在计 算机内部的档案 数据,判定汽车 的车型。
44
例14 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量双腿 跳的动态力
压电式 步态分析 跑台
q dma U C C
35
例5:冲击试验台的标定和检测
产品过载冲击试验
产品
跌落高度h
加速度
被冲击介质:钢、橡胶、塑料、木块
36
例6: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
37
例7:振动测量仪
q d F d ma a
积分:振动速度、幅值
22
压电传感器在实际测量 系统中的等效电路
23
3、压电传感器的测量电路
前置放大器的作用: (1)放大 (2)阻抗转换 1、电压放大器
电压放大器
电荷放大器
24
F Fmsint
q d F d Fm U sint Ce Ce Ce
25
前置放大器输入端电压:
1 R 1 jC i d F U 1 1 Ce R R 1 jC jC 1 jCe R jC
受力、表面形变
压电器件
电荷
1
§6-1 压电效应和压电材料
一、压电效应
1、正(顺)压电效应
2
2、逆压电效应
3
4
正压电效应 T(S) 机械能
压电介质
逆压电效应
Q(E) 电能
二、压电材料简介 压电系数 压电效应强弱:灵敏度
弹性常数(刚度) 固有频率、动态特性 介电常数 电阻 居里点 固有电容、频率下限
d F
jR 1 jR(Ce C )
前置放大器输入端电压幅值:
26
27
28
29
2、电荷放大器
q U 0 Uf Cf
Aq U0 Ce Cc Ci (1 A)Cf
q Cf
灵敏度 K
U0 1 q Cf
与电缆电容无关
30
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压电式纵跳 训练分析装置
45
例15 海啸预警系统
海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变 化的数据,并传送到信息浮标,由信息浮标发送到气 象卫星,再从气象卫星传送到卫星地面站。 气象接 收及发 射天线
浮标
振动压力 传感器
深海地沟
6000m海底
46
例16 心脏起搏器
47
48
小
受力、表面形变