壓電傳感器-高分子材料教材

1、壓電傳感器壓電傳感器高分子壓電材料高分子壓電材料工業(yè)測控儀表工業(yè)測控儀表自動化與電氣工程學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院College of Automation and Electrical EngineeringCollege of Automation and Electrical Engineering授課教師：王軼卿授課教師：王軼卿2 2壓電傳感器壓電傳感器高分子壓電材料高分子壓電材料高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電材料的應(yīng)用高分子材料壓電傳感器的測量電路高分子材料壓電傳感器的測量電路前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀3 3特點(diǎn)：特點(diǎn)：

2、動態(tài)動態(tài)力力動態(tài)動態(tài)壓力壓力定義：定義：電荷量電荷量的變化的變化1.1.壓電傳感器概述壓電傳感器概述壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 自發(fā)電式自發(fā)電式傳感器傳感器 不能不能測量測量靜態(tài)靜態(tài)力力 典型的典型的雙向雙向傳感器傳感器電壓電壓測量轉(zhuǎn)測量轉(zhuǎn)換電路換電路4 42.2.壓電材料壓電材料 壓電晶體壓電晶體常用壓電元件材料：常用壓電元件材料： 壓電陶瓷壓電陶瓷 高分子壓電材料高分子壓電材料實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)傳感器實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)傳感器動態(tài)力傳感器、振動傳感器動態(tài)力傳感器、振動傳感器定性測量定性測量5 53.3.高分子壓電材料高分子壓電材料材料：材料：聚二氟乙烯聚二氟乙烯（ PVF2 或或PVDF）聚氟乙烯

3、聚氟乙烯 （PVF）改性聚氯乙烯改性聚氯乙烯 （PVC）壓壓電電薄薄膜膜6 6高分子壓電壓電電纜高分子壓電壓電電纜高分子壓電電纜高分子壓電電纜高分子壓電墊高分子壓電墊高分子壓電腳踏報警器高分子壓電腳踏報警器7 7高分子壓電材料特點(diǎn)高分子壓電材料特點(diǎn)防水，不易防水，不易破碎破碎特點(diǎn)：特點(diǎn)：柔軟，可制成柔軟，可制成大面積大面積、很長很長或或極微小極微小的成品的成品缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：工作溫度一般工作溫度一般低于低于100100頻率頻率響應(yīng)范圍響應(yīng)范圍寬，寬，測量測量動態(tài)范圍動態(tài)范圍達(dá)達(dá)80dB價格便宜價格便宜耐紫外線能力較差，耐紫外線能力較差，不宜暴曬不宜暴曬溫度升高時，靈敏度將溫度升高時，靈敏度將降低降

4、低靈敏度靈敏度比壓電晶體比壓電晶體高高十幾倍十幾倍8 8正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：4.4.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)施加外力施加外力表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生電荷電荷去掉外力去掉外力表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生電荷電荷電荷電荷消失消失電荷電荷消失消失注意：注意： 電荷極性電荷極性外力外力電荷電荷高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜+ + + + + + + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ + + + + + + + 9 9高分子壓電材料的特性高分子壓電材料的特性高分子材料高分子材料極化電壓極化電壓電場電場1040kV/m8010

5、0oC3060min高分子高分子壓電壓電材料材料無壓電特性無壓電特性具有壓電特性具有壓電特性極極化化處處理理膜厚方向膜厚方向聚二氟乙烯聚二氟乙烯聚氟乙烯聚氟乙烯改性聚氯乙烯改性聚氯乙烯1010高分子壓電材料的特性高分子壓電材料的特性極化后，有壓電性質(zhì)極化后，有壓電性質(zhì)沿沿X X（Y Y）方）方向施加外力向施加外力表面產(chǎn)生表面產(chǎn)生電荷電荷31Qd Fd31- -壓電常數(shù)壓電常數(shù)外力的大小外力的大小 q的大小的大小 外力施加的方向外力施加的方向q分布的平面分布的平面和極性和極性XYZ1111極極化化方方向向逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：去掉去掉交變電場交變電場施加施加交變電場交變電場產(chǎn)生產(chǎn)生機(jī)械振動機(jī)械

6、振動振動振動消失消失5.5.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)1212高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）1313壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)： 電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料中中機(jī)械能機(jī)械能與與電能電能壓電效應(yīng)小結(jié)壓電效應(yīng)小結(jié)壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機(jī)械能機(jī)械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)互換互換1414壓電傳感器壓電傳感器高分子壓電材料高分子壓電材料高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電材料的應(yīng)用高分子材料壓電傳感器的測量電路高分子材料壓電傳感器的測量電路前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀1515上

7、電極上電極下電極下電極極間電容極間電容 漏電阻漏電阻壓電陶瓷晶片示意圖壓電陶瓷晶片示意圖壓電元件符號壓電元件符號等效電路等效電路高內(nèi)阻高內(nèi)阻電荷源特點(diǎn)：電荷源特點(diǎn)：高內(nèi)阻高內(nèi)阻測量電路須具備測量電路須具備兩個作用兩個作用：高阻抗輸入高阻抗輸入低阻抗輸出低阻抗輸出輸入電荷輸入電荷輸出電壓輸出電壓SCU測測量量電電路路二、壓電傳感器的測量電路二、壓電傳感器的測量電路1616負(fù)反饋高增益放大器負(fù)反饋高增益放大器壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路反饋電容反饋電容Cf反饋電阻反饋電阻Rf當(dāng)放大器當(dāng)放大器開環(huán)增益開環(huán)增益A0和和反饋電阻反饋電阻Rf相當(dāng)大時相當(dāng)大時放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓00

8、(1)SCffA QQUACC 防止放大器防止放大器直流飽和直流飽和1717壓電傳感器壓電傳感器高分子壓電材料高分子壓電材料高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電材料的應(yīng)用高分子材料壓電傳感器的測量電路高分子材料壓電傳感器的測量電路前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀1818三、高分子壓電材料的應(yīng)用三、高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測其它應(yīng)用其它應(yīng)用玻璃破碎報警裝置玻璃破碎報警裝置壓電式周界報警系統(tǒng)壓電式周界報警系統(tǒng)1919應(yīng)用應(yīng)用1 1 高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測將高分子壓電電纜

9、埋在公路上，可實(shí)現(xiàn)：將高分子壓電電纜埋在公路上，可實(shí)現(xiàn)： 闖紅燈拍照闖紅燈拍照 車速監(jiān)測車速監(jiān)測 收費(fèi)站稱重收費(fèi)站稱重 停車區(qū)域監(jiān)控停車區(qū)域監(jiān)控2020高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測演示高分子壓電電纜用于交通監(jiān)測演示將兩根高分子壓電電纜將兩根高分子壓電電纜相距若干米相距若干米，平行埋設(shè)平行埋設(shè)于于公路的公路的路面下路面下約約5cm5cm，可以測量：，可以測量：（1 1）車速）車速（2 2）汽車前后輪間軸距、軸數(shù)）汽車前后輪間軸距、軸數(shù)（3 3）汽車載重量）汽車載重量tA1tA2tB1tB22121應(yīng)用應(yīng)用2 2 玻璃破碎報警裝置玻璃破碎報警裝置輸出引腳間產(chǎn)生輸出引腳間產(chǎn)生電壓信號電壓信號在玻璃上粘

10、貼在玻璃上粘貼高分子壓電測振薄膜高分子壓電測振薄膜玻璃破碎瞬間玻璃破碎瞬間 1015KHz振動振動高分子壓電薄膜高分子壓電薄膜振動振動壓電薄膜表面壓電薄膜表面產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷驅(qū)動報警電路驅(qū)動報警電路2222玻璃破碎傳感器玻璃破碎傳感器聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（ PVDF）薄膜）薄膜高分子壓電測振薄膜加工工藝：高分子壓電測振薄膜加工工藝：尺寸：尺寸：10 20 0.2mm正反兩面各噴涂正反兩面各噴涂透明透明的二氧化錫導(dǎo)電電極的二氧化錫導(dǎo)電電極超聲波焊接超聲波焊接兩根柔軟的電極引線兩根柔軟的電極引線覆蓋保護(hù)膜覆蓋保護(hù)膜性能參數(shù)：性能參數(shù)：偵測范圍：半徑偵測范圍：半徑180cm警報時間：警報時間：0

11、.56S工作溫度：工作溫度：-20oC+55oC重量：重量：26g26g2323 應(yīng)用應(yīng)用2 2 壓電式周界報警系統(tǒng)壓電式周界報警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)）（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)）作用：作用：地下麥克風(fēng)（聽音器）地下麥克風(fēng)（聽音器）將壓電電纜埋在泥土的將壓電電纜埋在泥土的淺表層淺表層偵測范圍：偵測范圍：幾十米幾十米數(shù)數(shù)百米百米多通道測量系統(tǒng)的輸出波形多通道測量系統(tǒng)的輸出波形偵測對象：偵測對象：行人、輪式車輛、行人、輪式車輛、履帶式車輛履帶式車輛優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：警戒區(qū)域大；不易受電、警戒區(qū)域大；不易受電、光、霧、雨水等干擾；價格低光、霧、雨水等干擾；價格低輸出信號形式不同輸

12、出信號形式不同2424壓電式周界報警系統(tǒng)壓電式周界報警系統(tǒng)壓電電纜壓電電纜銅芯銅芯壓電壓電材料材料屏蔽層屏蔽層橡膠保護(hù)層橡膠保護(hù)層原理原理2525高分子壓電材料的其它應(yīng)用高分子壓電材料的其它應(yīng)用 脈搏計數(shù)探測脈搏計數(shù)探測 振動、沖擊、碰撞報警振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量振動加速度測量 管道壓力波動管道壓力波動26報警系統(tǒng)拓展思考報警系統(tǒng)拓展思考Q Q：如何提高玻璃破碎報警裝置、周界防護(hù)裝置的：如何提高玻璃破碎報警裝置、周界防護(hù)裝置的靈敏度，同時降低誤報率？靈敏度，同時降低誤報率？A A：閾值設(shè)定閾值設(shè)定 軟件補(bǔ)償軟件補(bǔ)償2727重點(diǎn)回顧重點(diǎn)回顧原理原理 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)特點(diǎn)特點(diǎn) 動態(tài)力，定性分析動態(tài)力，定性分析對比學(xué)習(xí)對比學(xué)習(xí)可逆可逆壓電陶瓷傳感器壓電陶瓷傳感器 定量測量定量測量2828壓電傳感器壓電傳感器高分子壓電材料高分子壓電材料高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料原理及特性高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電材料的應(yīng)用高分子材料壓電傳感器的測量電路高分子材料壓電傳感器的測量電路前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀前沿科技與網(wǎng)絡(luò)拓展閱讀2929 站在巨人肩上站在巨人肩上前沿科技前沿科技壓電高分子納米纖維薄膜柔性力學(xué)傳感壓電高分子納米纖維薄膜柔性力學(xué)傳感器器聚偏二氟乙