压电式传感器标定实验PPT课件
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压电式传感器_图文
④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。 其中
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6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 ；
②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动 频率；
③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
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6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
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6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
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《压电式传感器》课件
汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后
压电式传感器标定实验
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2020/11/25
2、量程调节
量程调节
18
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3、触发方式调节
1.按“Trigger” 键
2.按照要求设 置触发方式
19
4、触发电平设置
2020/11/25
判断标准： （1）合适：“Stop”——“Armed”——“Ready”——“Trig’s”——“Stop” （2）噪声触发：“Stop”——“Armed”——“Trig’s”——“Stop”，需增大触发电压 （3）不能触发： “Stop”——“Armed”——“Ready”，需减小触发电压
2020/11/25
❖第三步：实验数据获取
记录曲线及压力跃起时间 打开激波管阀门破膜 示波器“Ready” 放大器置于“工作”
14
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❖15209882093 ❖小白楼201
15
2020/11/25
示波器
16
2020/11/25
1、开机
1.按下“运行/停止”
2.按下“强制触发”
激波管膜片安装
26
2020/11/25
充气及破膜
1.充气时两个 阀门均需拧紧 2.破膜时拧开 靠墙一端的阀 门，听见破膜 声后拧开另一 个阀门放气
27
❖ 第三步：实验数据测量
2.放大器置 于“工作”
1. 砝码 加载
3. 示波器 “运行”， 卸载、触
发
4.放大器“复 位”，光标测
出电压差
8
5.改变砝码， 重新测量
2020/11/25
2、动态标定
1.基本概念
Outline 2.实验设备
3.实验内容及步骤
9
2.1 基本概念
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2、量程调节
量程调节
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3、触发方式调节
1.按“Trigger” 键
2.按照要求设 置触发方式
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4、触发电平设置
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判断标准： （1）合适：“Stop”——“Armed”——“Ready”——“Trig’s”——“Stop” （2）噪声触发：“Stop”——“Armed”——“Trig’s”——“Stop”，需增大触发电压 （3）不能触发： “Stop”——“Armed”——“Ready”，需减小触发电压
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❖第三步：实验数据获取
记录曲线及压力跃起时间 打开激波管阀门破膜 示波器“Ready” 放大器置于“工作”
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❖15209882093 ❖小白楼201
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示波器
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1、开机
1.按下“运行/停止”
2.按下“强制触发”
激波管膜片安装
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充气及破膜
1.充气时两个 阀门均需拧紧 2.破膜时拧开 靠墙一端的阀 门，听见破膜 声后拧开另一 个阀门放气
27
❖ 第三步：实验数据测量
2.放大器置 于“工作”
1. 砝码 加载
3. 示波器 “运行”， 卸载、触
发
4.放大器“复 位”，光标测
出电压差
8
5.改变砝码， 重新测量
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2、动态标定
1.基本概念
Outline 2.实验设备
3.实验内容及步骤
9
2.1 基本概念
传感器第4章压电式ppt课件(共79张PPT)
第4章 压电式传感器
分析可见： （1〕压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴，经 极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用 （力或电场〕下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。 （2〕陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，陶瓷 中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化， 引起电极上的自由电荷的释放或补充的结果。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
第4章 压电式传感器
1) 压电陶瓷的正压电效应 2) 如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片 3) 产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
4) 极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面
5) 电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 6) 当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚 7) 电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。 8) 这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换
变形与电场之间的关系为
产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。
此时正负电荷重心不再重合。
（1〕极性也随之改变。
第4章
压电式传感器
✓当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P1增大, P3、P2 减小。 ✓在垂直x轴表面上出现电荷, 它的 极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方 向上不出现电荷。
量电荷，但极性相反。
3〕在同一晶片上沿y轴方向作用力，其电荷仍在与x轴垂直的平面 上出现。
tb
第4章 压电式传感器 c a
由上述可知： 1)无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力〔或应变〕与电荷 〔或电场强度〕之间成线性关系； 2〕晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆 压电效应。
压电式传感器.ppt
§2-1 压电体等效电路
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
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§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
检测10压电式传感器-27页PPT资料
F 极化面
Q
F
机械能｛
压电效应及可逆性
逆压电效应 压电介质 正压电效应
｝电能
石英晶体的正压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频 率与动态力的频率相同；而当动态力变为静态力时，电荷 将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
石英晶体压电方程为：
ij dijPj
i1 、 2 、 3 x、 y、 z j1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 沿 x、 y、 z;绕 x、 y、 z Pj : j方向的应力 P） a分量（
R和C的并
联阻抗：
U ~C q edC 3e F ~ 3d C 3 e3 F m si n t。 设 C e的 阻 Z C e抗 ,Z C e为 j1 C e;
C 的阻 Z C,抗 Z Cj为 1C;R 的阻 Z R ,抗 Z RR 为 。
ZR//C
ZRZC ZRZC
U～
Ce Rd
Cc Ri
Ci
Ri C i
U
Rd C c
q U
Ce
q
C e Rd C c R i C i
Rd:电极间绝缘与；耗 Cc:损 连电 接阻 电缆分布电容 Ri :后级放大电路；输 Ci :入 后电 级阻 放大电路输入
b).测量电路（变换电路、前置电路）
前置放大电路的必要性：
① 高内阻，须作阻抗变换。
② 输出功率小，分布参数及干扰影响大。
压电陶瓷外形
3、高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或 PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯 （PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据 需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎， 具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积 或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽， 测量动态范围可达80dB。
压电式传感器ppt课件
ppt精选版
1
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
一、压电效应 二、压电材料 三、石英晶体的压电机理 四、压电陶瓷的压电机理
ppt精选版
2
第5章 压电式传感器
一、压电效应
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种 材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到 不带电状态，这种现象被称为压电效应。
所以石英是理想的压电传感器的压电材料。
天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和 制作标准传感器。
② 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。
例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等， 还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当 材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
5.1 压电式传感器的工作原理 5.2 压电材料的主要特性 5.3 压电元件常用的结构形式 5.4 压电式传感器的信号调理电路 5.5 压电式传感器的应用
（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。
这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
压电陶瓷元件
传感器的标定.PPT课件
（2）二阶传感器时间常数的确定
在欠阻尼情况下，从曲线上可以测得三个特征 量，即零频增益A(0)、谐振频率增益A(wr)和谐 振频率wr。根据
A(w) 1/ [1 (w/wn )2]2 (2xw/wn )2
令
dA(w) 0
dw
得
wr wn 1 2x 2
12.3传感器的动态标定
将wr代入A(w)的表达式得
确定这些参数的方法很多，一般是通过实 验确定，如测量传感器的阶跃响应、正弦响 应、线性输入响应、白噪声，及用机械振动法 等。其中最常用的是测量传感器的阶跃响应。
12.3 传感器的动态标定
1 实验确定一阶传感器时间常数的方法 2 实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻
尼比的方法 3 确定传感器动态参数的其他方法
12.3传感器的动态标定
对自然振荡频率来说，可测出第i个极大值与第i+n 个极大值之间的时间间隔tn，如图所示，则
wn 2nπ/(tn 1 x 2 ) (2.11)
也可取不同的i和n，求出多个自然振荡频率后 取平均值。
若传感器是精确的二阶传感器，n取任意 正整数求得的x或wn都不会有多大差别。若有 明显差别，超出测量误差较多，则说明传感器 不是严格的二阶传感器。
④按②、③所述过程，对传感器进行正、 反行程往复循环多次测试（一般为3~10次）， 将得到的输出输入测试数据用表格列出或绘成 曲线。
⑤对测试数据进行必要的处理，根据处理 结果确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重 复性等静态特性指标。
12.3传感器的动态标定
传感器的动态标定主要用于确定传感器的 动态技术指标。动态技术指标主要是研究传感 器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一 阶传感器只有一个时间常数τ，二阶传感器则 有自然振荡频率wn和阻尼比ζ两个参数。
《压电式传感器》课件
结构简单
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
第6章压电式传感器课件
②逆压电效应 在这些电介质的极化方向上施加 电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消 失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
压电式传感器ppt课件
压电效应最为显著；
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电 极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数； F——作用力
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，
适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外 界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微 量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电 极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数； F——作用力
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，
适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外 界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微 量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
压电式传感器 ppt课件
• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
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11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
ppt课件
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6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
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6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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压 力 (bar)
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1.2 实验设备
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活塞式压力机
电荷放大器Leabharlann 示波器石英传感器5
1.3 实验内容及步骤
2020/11/13
❖第一步：实验接线
6
1.3 实验内容及步骤
2020/11/13
激波管膜片安装
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充气及破膜
1.充气时两个 阀门均需拧紧 2.破膜时拧开 靠墙一端的阀 门，听见破膜 声后拧开另一 个阀门放气
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❖第二步：参数设置及使用方法
示波器
电荷放 大器
活塞式压 力机
1.电压、时间量程 调节
2.触发方式、电平 以及位置的设置
3.利用光标读取电 压、时间值
1.灵敏度、输出设 置
2.下限、上限频率 设置
3.“工作/复位”键 的使用
1.砝码 2压力的加载及卸 载
3.石英压力传感器
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1.3 实验内容及步骤
2020/11/13
1.按“运行/ 停止”看是 触发电压大 小是否合适
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4、触发电平设置
调节触发电 压大小
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5、电压及时间测量
按“Cursor” 键
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电荷放大器
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2020/11/13
活塞式压力计
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2020/11/13
激波管（含压气机）
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2020/11/13
❖ 第三步：实验数据测量
2.放大器置 于“工作”
1. 砝码 加载
3. 示波器 “运行”， 卸载、触
发
4.放大器“复 位”，光标测
出电压差
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5.改变砝码， 重新测量
2020/11/13
2、动态标定
1.基本概念
Outline 2.实验设备
3.实验内容及步骤
9
2.1 基本概念
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❖激波管中的（1）区和（5）区
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❖第三步：实验数据获取
记录曲线及压力跃起时间 打开激波管阀门破膜 示波器“Ready” 放大器置于“工作”
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❖15209882093 ❖小白楼201
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示波器
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1、开机
1.按下“运行/停止”
2.按下“强制触 发”
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2020/11/13
2、量程调节
量程调节
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3、触发方式调节
1.按“Trigger” 键
2.按照要求设 置触发方式
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4、触发电平设置
2020/11/13
判断标准： （1）合适：“Stop”——“Armed”——“Ready”——“Trig’s”—— “Stop” （2）噪声触发：“Stop”——“Armed”——“Trig’s”——“Stop”，需增 大触发电压 （3）不能触发： “Stop”——“Armed”——“Ready”，需减小触发电压
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2.2 实验设备 激波管（含压气机） 电荷放大器 示波器 石英、压电陶瓷传感器
2.3 实验内容及步骤
2020/11/13
❖第一步：实验接线
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2.3 实验内容及步骤
2020/11/13
❖第二步：参数设置及设备准备
1
2
3
示波器、 电荷放大 器的参数
设置
气压机充 气
激波管膜 片安装
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2.3 实验内容及步骤
压力传感器标定实验
吴海军
2020/11/13
主要内容
1、静 态 标 定 2、动 态 标 定
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1、静态标定
1.基本原理
Outline 2.实验设备
3.实验内容及步骤
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1.1基本原理
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❖准静态载荷：输入（压力）和输出（电荷） 近似成线性关系。
电 荷 量 (pc)