压电传感器-高分子材料
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
温度升高时，灵敏度将降低 耐紫外线能力较差，不宜暴晒
7
4.压电效应—正压电效应
高分子压电薄膜
_ _ _ _ _ _ + +_ +_ +_ + _+ _ _ + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ + + + + +_ + + _ _ _ _ _ + + + + + + _ + _ +
施加外力 去掉外力
聚氟乙烯 （PVF） 改性聚氯乙烯 （PVC）
…
压 电 薄 膜
5
高分子压电压电电缆
高分子压电电缆
高分子压电垫
高分子压电脚踏报警器
6
高分子压电材料特点
特点： 灵敏度比压电晶体高十几倍
防水，不易破碎 柔软，可制成大面积、很长或极微小的成品
价格便宜 频率响应范围宽，测量动态范围达80dB
缺点： 工作温度一般低于100℃
表面产生电荷 表面产生电荷
电荷消失 电荷消失
注意： 电荷极性
正压电效应：
外力
电荷
8
高分子压电材料的特性
极 化 处 理
极化电压 电场10~40kV/m 80~100oC 30~60min
高分子材料
无压电特性
聚二氟乙烯 聚氟乙烯 改性聚氯乙烯
高分子压电材料
具有压电特性
膜厚方向
9
高分子压电材料的特性
Z
tA1 tA2
Biblioteka Baidu
tB1
tB2
将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于 公路的路面下约5cm，可以测量：
（1）车速
（2）汽车前后轮间轴距、轴数 （3）汽车载重量
20
应用2
玻璃破碎报警装置
玻璃破碎瞬间 10~15KHz振动
高分子压电薄膜振动 压电薄膜表面产生电荷 在玻璃上粘贴高分子压电测振薄膜 输出引脚间产生电压信号
驱动报警电路
21
玻璃破碎传感器
高分子压电测振薄膜加工工艺：
聚偏二氟乙烯（ PVDF）薄膜 尺寸：1020 0.2mm 正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极
超声波焊接两根柔软的电极引线
覆盖保护膜
性能参数：
侦测范围：半径180cm 警报时间：0.5~6S 工作温度：-20oC~+55oC 重量：26g
32
自动化与电气工程学院
College of Automation and Electrical Engineering
工业测控仪表
压电传感器
—高分子压电材料
授课教师：王轶卿
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
2
1.压电传感器概述
屏蔽层 压电 材料 橡胶保护层 铜芯 原理 压电电缆
24
高分子压电材料的其它应用
脉搏计数探测 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量
管道压力波动
25
报警系统拓展思考
Q ：如何提高玻璃破碎报警装置、周界防护装置的 灵敏度，同时降低误报率？
A：阈值设定
软件补偿
26
重点回顾
原理 特点
压电效应
可逆
动态力，定性分析
压电陶瓷传感器 定量测量
对比学习
27
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
28
站在巨人肩上——前沿科技
压电高分子纳米纤维薄膜柔性力学传感器
聚偏二氟乙烯 及偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物
具有良好的力学性能、高灵敏度、生物相容性
动态力 压电效应 电荷量 测量转 定义： 动态压力 的变化 换电路
电压
…
特点：
自发电式传感器
不能测量静态力 典型的双向传感器 逆压电效应
3
2.压电材料
常用压电元件材料：
压电晶体
实验室基准传感器 压电陶瓷 动态力传感器、振动传感器 高分子压电材料 定性测量
4
3.高分子压电材料
材料： 聚二氟乙烯（ PVF2 或PVDF）
沿X（Y）方 向施加外力
Y
表面产生电荷 d31-压电常数
Q d31F
外力的大小
外力施加的方向
压电系数（x10-12C/N）
X 极化后，有压电性质
q的大小
q分布的平面 和极性
居里温度（℃）
材料
石英 锆钛酸铅
形状
单晶 陶瓷
d11=2.31，d14=0.727 d33=71~590，d31=-100~230
测 量 电 低阻抗输出 路 U SC
输出电压
15
压电传感器的测量电路
负反馈高增益放大器 反馈电容Cf 反馈电阻Rf
防止放大器 直流饱和
当放大器开环增益A0和反馈电阻Rf相当大时
放大器的输出电压 U SC
A0Q Q (1 A0 )C f Cf
16
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
17
三、高分子压电材料的应用
高分子压电电缆用于交通监测
玻璃破碎报警装置
压电式周界报警系统
其它应用
18
应用1
高分子压电电缆用于交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可实现： 闯红灯拍照 车速监测 收费站称重 停车区域监控
19
高分子压电电缆用于交通监测演示
有着传统压电材料不可比拟的
柔软、透气等特性…
压电薄膜扬声器
29
网络拓展阅读
压电薄膜传感器在医疗行业生命特征监测方面的应用
http://comnews.cnlinfo.net/1232.htm
压电式加速度传感器
http://baike.baidu.com/view/2124088.htm?fr=aladdin
573 180~350
10
聚二氟乙烯
延伸
5.压电效应—逆压电效应
极 化 方 向
施加交变电场 去掉交变电场
产生机械振动 振动消失
逆压电效应： 电致伸缩效应
11
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
12
压电效应小结
正压电效应 机械能
压电介质
逆压电效应
电能
压电效应： 电介质材料中机械能与电能 互换
22
应用2
压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护）
将压电电缆埋在泥土的浅表层 作用：地下麦克风（听音器） 侦测范围：几十米~数百米 侦测对象：行人、轮式车辆、 履带式车辆 优点：警戒区域大；不易受电、 光、雾、雨水等干扰；价格低
输出信号形式不同
多通道测量系统的输出波形
23
压电式周界报警系统
压电薄膜交通传感器及其应用
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4caa58430100ecuh.html
压电薄膜轴传感器及其在智能交通系统中的应用
http://www.weighment.com/discourse/paper2008/13.pdf
30
31
欢迎各位专家 批评与指导！
13
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
14
二、压电传感器的测量电路
上电极 极间电容 漏电阻
下电极 压电陶瓷晶片示意图 压电元件符号 等效电路
高内阻
电荷源特点：高内阻
高阻抗输入
测量电路须具备 两个作用：
输入电荷
7
4.压电效应—正压电效应
高分子压电薄膜
_ _ _ _ _ _ + +_ +_ +_ + _+ _ _ + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ + + + + +_ + + _ _ _ _ _ + + + + + + _ + _ +
施加外力 去掉外力
聚氟乙烯 （PVF） 改性聚氯乙烯 （PVC）
…
压 电 薄 膜
5
高分子压电压电电缆
高分子压电电缆
高分子压电垫
高分子压电脚踏报警器
6
高分子压电材料特点
特点： 灵敏度比压电晶体高十几倍
防水，不易破碎 柔软，可制成大面积、很长或极微小的成品
价格便宜 频率响应范围宽，测量动态范围达80dB
缺点： 工作温度一般低于100℃
表面产生电荷 表面产生电荷
电荷消失 电荷消失
注意： 电荷极性
正压电效应：
外力
电荷
8
高分子压电材料的特性
极 化 处 理
极化电压 电场10~40kV/m 80~100oC 30~60min
高分子材料
无压电特性
聚二氟乙烯 聚氟乙烯 改性聚氯乙烯
高分子压电材料
具有压电特性
膜厚方向
9
高分子压电材料的特性
Z
tA1 tA2
Biblioteka Baidu
tB1
tB2
将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于 公路的路面下约5cm，可以测量：
（1）车速
（2）汽车前后轮间轴距、轴数 （3）汽车载重量
20
应用2
玻璃破碎报警装置
玻璃破碎瞬间 10~15KHz振动
高分子压电薄膜振动 压电薄膜表面产生电荷 在玻璃上粘贴高分子压电测振薄膜 输出引脚间产生电压信号
驱动报警电路
21
玻璃破碎传感器
高分子压电测振薄膜加工工艺：
聚偏二氟乙烯（ PVDF）薄膜 尺寸：1020 0.2mm 正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极
超声波焊接两根柔软的电极引线
覆盖保护膜
性能参数：
侦测范围：半径180cm 警报时间：0.5~6S 工作温度：-20oC~+55oC 重量：26g
32
自动化与电气工程学院
College of Automation and Electrical Engineering
工业测控仪表
压电传感器
—高分子压电材料
授课教师：王轶卿
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
2
1.压电传感器概述
屏蔽层 压电 材料 橡胶保护层 铜芯 原理 压电电缆
24
高分子压电材料的其它应用
脉搏计数探测 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量
管道压力波动
25
报警系统拓展思考
Q ：如何提高玻璃破碎报警装置、周界防护装置的 灵敏度，同时降低误报率？
A：阈值设定
软件补偿
26
重点回顾
原理 特点
压电效应
可逆
动态力，定性分析
压电陶瓷传感器 定量测量
对比学习
27
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
28
站在巨人肩上——前沿科技
压电高分子纳米纤维薄膜柔性力学传感器
聚偏二氟乙烯 及偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物
具有良好的力学性能、高灵敏度、生物相容性
动态力 压电效应 电荷量 测量转 定义： 动态压力 的变化 换电路
电压
…
特点：
自发电式传感器
不能测量静态力 典型的双向传感器 逆压电效应
3
2.压电材料
常用压电元件材料：
压电晶体
实验室基准传感器 压电陶瓷 动态力传感器、振动传感器 高分子压电材料 定性测量
4
3.高分子压电材料
材料： 聚二氟乙烯（ PVF2 或PVDF）
沿X（Y）方 向施加外力
Y
表面产生电荷 d31-压电常数
Q d31F
外力的大小
外力施加的方向
压电系数（x10-12C/N）
X 极化后，有压电性质
q的大小
q分布的平面 和极性
居里温度（℃）
材料
石英 锆钛酸铅
形状
单晶 陶瓷
d11=2.31，d14=0.727 d33=71~590，d31=-100~230
测 量 电 低阻抗输出 路 U SC
输出电压
15
压电传感器的测量电路
负反馈高增益放大器 反馈电容Cf 反馈电阻Rf
防止放大器 直流饱和
当放大器开环增益A0和反馈电阻Rf相当大时
放大器的输出电压 U SC
A0Q Q (1 A0 )C f Cf
16
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
17
三、高分子压电材料的应用
高分子压电电缆用于交通监测
玻璃破碎报警装置
压电式周界报警系统
其它应用
18
应用1
高分子压电电缆用于交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可实现： 闯红灯拍照 车速监测 收费站称重 停车区域监控
19
高分子压电电缆用于交通监测演示
有着传统压电材料不可比拟的
柔软、透气等特性…
压电薄膜扬声器
29
网络拓展阅读
压电薄膜传感器在医疗行业生命特征监测方面的应用
http://comnews.cnlinfo.net/1232.htm
压电式加速度传感器
http://baike.baidu.com/view/2124088.htm?fr=aladdin
573 180~350
10
聚二氟乙烯
延伸
5.压电效应—逆压电效应
极 化 方 向
施加交变电场 去掉交变电场
产生机械振动 振动消失
逆压电效应： 电致伸缩效应
11
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
12
压电效应小结
正压电效应 机械能
压电介质
逆压电效应
电能
压电效应： 电介质材料中机械能与电能 互换
22
应用2
压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护）
将压电电缆埋在泥土的浅表层 作用：地下麦克风（听音器） 侦测范围：几十米~数百米 侦测对象：行人、轮式车辆、 履带式车辆 优点：警戒区域大；不易受电、 光、雾、雨水等干扰；价格低
输出信号形式不同
多通道测量系统的输出波形
23
压电式周界报警系统
压电薄膜交通传感器及其应用
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4caa58430100ecuh.html
压电薄膜轴传感器及其在智能交通系统中的应用
http://www.weighment.com/discourse/paper2008/13.pdf
30
31
欢迎各位专家 批评与指导！
13
压电传感器—高分子压电材料
高分子压电材料原理及特性
高分子材料压电传感器的测量电路
高分子压电材料的应用
前沿科技与网络拓展阅读
14
二、压电传感器的测量电路
上电极 极间电容 漏电阻
下电极 压电陶瓷晶片示意图 压电元件符号 等效电路
高内阻
电荷源特点：高内阻
高阻抗输入
测量电路须具备 两个作用：
输入电荷