壓電式傳感器電子工藝

壓電式傳感器電子工藝第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月一.壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。是一種典型的有源傳感器*特點(diǎn):

工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作可靠。

*應(yīng)用范圍：

各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)測量、生物醫(yī)學(xué)、超聲、通信、宇航等領(lǐng)域。

第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1、壓電式傳感器的應(yīng)用

1壓電式腳踏報(bào)警器

第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.玻璃打碎報(bào)警裝置

粘貼位置將壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3.交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月4.壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量

第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月5.壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.總結(jié)分析、壓電傳感器的工作原理熱電偶的原理：熱電效應(yīng)熱能電能壓電式傳感器的原理：正壓電效應(yīng)機(jī)械能電能第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二.壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料受到一定方向作用力時(shí)而發(fā)生機(jī)械變形，相應(yīng)的在一定表面上產(chǎn)生電荷，電荷量Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。（壓電式傳感器）逆壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電材料處于變化的電場中時(shí)，壓電材料的體積將產(chǎn)生伸長或縮短的變化，稱作逆壓電效應(yīng)(壓電式喇叭）第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月壓電效應(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10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1、常用的壓電材料及壓電材料的壓電效應(yīng)壓電材料壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛天然：石英晶體人造壓電材料：高分子壓電材料:聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二.壓電效應(yīng)2.2石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸表示，Z軸稱為光軸；X軸稱為電軸；Y軸稱為機(jī)械軸?？v向壓電效應(yīng)：X軸橫向壓電效應(yīng)：Y軸沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2石英晶體的壓電效應(yīng)（1）.定性分析圖3-13垂直x軸的石英切片及其壓電效應(yīng)第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

從晶體上沿軸線切下的薄片稱為“晶體切片”。圖3-13所示是垂直于電軸Ｘ切割的石英片，在與Ｘ軸垂直的兩面覆以金屬。沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時(shí)，在與電軸X垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為：

式中d11—石英晶體的縱向壓電系數(shù)在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：

定量計(jì)算：第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果在同一切片上，沿機(jī)械軸Y方向施加作用力Fy時(shí)，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為：

式中d12—石英晶體的橫向壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體的軸對(duì)稱條件可得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為：

第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。直流電場E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機(jī)械強(qiáng)度較石英晶體差。

第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

a—Z向施力；b—X向施力

圖3-14壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

2.3

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月則在兩個(gè)鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即

:

式中dzz—壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。輸出電壓為:

2.3

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)沿X軸方向施加作用力Fx時(shí)，如圖所示，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為:

同理

2.3

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)式中的dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時(shí)的壓電系數(shù)，且均為負(fù)值；且dz1=dz2電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月三、壓電元件的等效電路當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷發(fā)生器即電荷源電荷源等效電路：可等效為一個(gè)電荷源q和一個(gè)電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖（a）電壓源等效電路：壓電傳感器也可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)；qq＝UaCaCa（a）電荷源等效電路CaUaUa＝q/Ca（b）電壓源等效電路第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻三、壓電元件的等效電路實(shí)際等效電路第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)充：電容的串并聯(lián)以兩個(gè)電容串并聯(lián)為例，考察串并聯(lián)后，總的電容容抗、總電壓、總電荷容量總?cè)菘梗篊=C1+C2總電量：Q=Q1+Q2總電壓：U=U1=U2并聯(lián)：串聯(lián)：總?cè)菘梗嚎傠娏浚篞=Q1=Q2總電壓：U=U1+U2因此為了增大輸出，在使用過程中壓電元件通常用多個(gè)元件串聯(lián)或者是并聯(lián)使用。三、壓電元件的等效電路第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月思考：壓電晶體是否適合于靜態(tài)測量。為什么？當(dāng)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無“漏損”，外電路負(fù)載無窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四、壓電傳感器測量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。

壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。前置放大器形式：電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四.壓電傳感器測量電路

(a)放大器電路；(b)輸入端簡化等效電路

圖3-18電壓放大器電路原理及其等效電路圖

①電壓放大器（阻抗變換器）第28頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：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。四.壓電傳感器測量電路②電荷放大器