壓電傳感器的工作原理

關(guān)于壓電傳感器的工作原理28.02.20231第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20232第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20233一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20234石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20235二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20236（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20237天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20238石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.20239石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202310（二）壓電陶瓷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(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202311壓電陶瓷外形

第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202312無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202313高分子壓電薄膜及拉制第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202314（三）高分子壓電材料典型的高分子壓電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。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202315高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202316可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202317壓電式腳踏報(bào)警器

第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202318高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202319第二節(jié)壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很?。?/p>

電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202320四通道電荷放大器外形

.第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202321上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202322超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202323其他電荷放大器外形面板式電荷放大器第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期三28.02.202324其他電荷放大器外形（續(xù)）第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期