压电传感器.ppt
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压电传感器.ppt
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机械工业出版社机械工业出版社自动检测与转换技术自动检测与转换技术第六章第六章多媒体课件200951更新11/6/20221第六章第六章压电传感器压电传感器在在这这一一章章里里,卡卡卡卡要要给给大大家家介介绍绍压压电电传传感感器器的的基基本本原原理理、特特性性和和应应用用,也也集集中中讲讲一一讲讲在工业领域里常会用到的振动测量。
在工业领域里常会用到的振动测量。
在在测测量量中中,被被测测动动态态力力和和动动态态压压力力通通过过压压电电传传感感器器变变化化转转换换为为电电荷荷量量的的变变化化,再再经经测测量量转转换换电电路路转转换换为为输输出出电电压压。
压压电电传传感感器器是是属于自发电型传感器。
属于自发电型传感器。
11/6/20222我我们们先先来来看看一一个个实实验验。
在在完完全全黑黑暗暗的的环环境境中中,将将一一块块干干燥燥的的冰冰糖糖用用榔榔头头敲敲碎碎,可可以以看看到到冰冰糖糖在在破破碎碎的的一一瞬瞬间间,发发出出暗暗淡淡的的蓝蓝色色闪闪光光,这这是是强强电电场场放放电电所所产产生生的的闪闪光光,产产生生闪闪光的机理是晶体的压电效应光的机理是晶体的压电效应小小实实验验11/6/20223第一节第一节压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理压压电电式式传传感感器器是是一一种种自自发发电电式式传传感感器器。
它它以以某某些些电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础,在在外外力力作作用用下下,在在电电介介质质表表面面产产生生电电荷荷,从从而而实实现现非非电电量量电电测测的的目的。
目的。
压压电电式式传传感感器器主主要要用用途途:
压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件,它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些非非电电物物理理量量,例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振振动动加加速速度度等,但等,但不能用于静态参数(例如重量)的测量。
不能用于静态参数(例如重量)的测量。
11/6/20224一、压电效应一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚石天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。
当晶体薄片受到压刀具切割出一片正方形薄片。
当晶体薄片受到压力时,晶格产生变形,表面产生正电荷,力时,晶格产生变形,表面产生正电荷,电荷电荷Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比,这种现象称为:
,这种现象称为:
“压电效应压电效应”还有一些人造的材料也具有压电效应。
还有一些人造的材料也具有压电效应。
若在电介质的极化方向上若在电介质的极化方向上施加交变电压施加交变电压,它就,它就会会产生机械变形产生机械变形。
当去掉外加电场时,电介质的。
当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失,这种现象称为变形随之消失,这种现象称为逆压电效应逆压电效应(电致电致伸缩效应伸缩效应)。
)。
11/6/20225自自然然界界中中与与压压电电效效应应有有关关的的现现象象很很多多,例例如如在在敦敦煌煌的的鸣鸣沙沙丘丘上上,当当许许多多游游客客在在沙沙丘丘上上蹦蹦跳跳或或从从鸣鸣沙沙丘丘上上往往下下滑滑时时,可可以以听听到到雷雷鸣鸣般般的的隆隆隆隆声声。
产产生生这这个个现现象象的的原原因因是是无无数数干干燥燥的的沙沙子子(SiO2晶晶体体)在在振振动动压压力力下下,表表面面产产生生电电荷荷,在在某某些些时时刻刻,恰恰好好形形成成电电压压串串联联,产产生生很很高高的的电电压压,并并通通过过空空气气放放电电而而发发出出声音。
声音。
在在电电子子打打火火机机中中,多多片片串串联联的的压压电电材材料料受受到到敲敲击击,产生很高的电压,通过尖端放电,而点燃。
产生很高的电压,通过尖端放电,而点燃。
与与此此相相反反,在在音音乐乐贺贺卡卡中中是是利利用用集集成成电电路路的的输输出出脉脉冲冲电电压压,来来激激励励压压电电片片,利利用用逆逆压压电电效效应应产产生生振振动而发声的。
动而发声的。
小小知识知识11/6/20226鸣沙山上的逆压电效应鸣沙山上的逆压电效应11/6/20227石英晶石英晶体的压电体的压电效应演示效应演示当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,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;当动态输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
泄漏、消失。
11/6/20228二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般压电传感器中的压电元件材料一般有三类:
有三类:
一类是一类是压电晶体压电晶体(如上述的石(如上述的石英晶体);英晶体);另一类是另一类是经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷压电陶瓷;第三类是;第三类是高分子压电材料高分子压电材料。
11/6/20229
(一)石英晶体
(一)石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形11/6/202210天然形成的石英晶体外形(续)天然形成的石英晶体外形(续)11/6/202211石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装11/6/202212石英晶体振荡器(晶振)石英晶体振荡器(晶振)石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时,压电效应路中工作时,压电效应与逆压电效应交替作用,与逆压电效应交替作用,从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输出频率。
出频率。
晶振晶振11/6/202213
(二)压电陶瓷
(二)压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多,而制造,而制造成本却较低成本却较低,因此目前国内外生产的压电元,因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷。
常用的压电陶。
常用的压电陶瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷(如(如BaTiO3等)等)。
11/6/202214压电陶瓷外形压电陶瓷外形11/6/202215无铅压电陶瓷及其换能器无铅压电陶瓷及其换能器外形外形(上海硅酸盐研究所研制)上海硅酸盐研究所研制)11/6/202216高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制11/6/202217(三)高分子压电材料(三)高分子压电材料典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVF2或或PVDF)、聚氟乙烯(聚氟乙烯(PVF)、)、改性聚改性聚氯乙烯(氯乙烯(PVC)等。
它是一种柔软的压电材料,等。
它是一种柔软的压电材料,可根据需要制成可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状。
它不易等形状。
它不易破碎,具有防水性,可以大量连续拉制,制成较破碎,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,测量动态范围可达较宽,测量动态范围可达80dB。
11/6/202218高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆11/6/202219可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板11/6/202220压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器11/6/202221高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭(逆压电效应(逆压电效应)11/6/202222第二节第二节压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路电荷放大器的输出电压仅与输入电荷电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关,电缆长度等因素的影响和反馈电容有关,电缆长度等因素的影响很小:
很小:
电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转电荷转换为电压(换为电压(Q/U转换器),但并无放大电荷的转换器),但并无放大电荷的作用,只是一种习惯叫法。
作用,只是一种习惯叫法。
11/6/202223便携式测振仪外形便携式测振仪外形1量程选择开关量程选择开关SC2压电传感器输入信号插座压电传感器输入信号插座3多路选择开关多路选择开关4带宽选择开关带宽选择开关SR5带背光点阵液晶带背光点阵液晶显示器显示器6电池盒电池盒7可变角度支架可变角度支架11/6/202224显示波形的演示(振动的时域显示波形的演示(振动的时域/频域图形)频域图形)(东方研究所资料)(东方研究所资料)不同频率的正弦波频谱变化不同频率的正弦波频谱变化11/6/202225在在图图6-4中中,开开关关“ON”和和“R”分分别别是是什什么么功功能能?
从从开开关关3的的档档位位可可知知,该该便便携携式式测测振振仪仪可可以以切切换换几几路路信信号号?
在在室室外外使使用用时时,应应使使用用什什么么电电源源?
在室内使用时,应改用什么电源?
在室内使用时,应改用什么电源?
所显示的基波频率是多少?
所显示的基波频率是多少?
想想一一想想11/6/202226上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标(参考东方振动和噪声技术研究所资料)(参考东方振动和噪声技术研究所资料)灵灵敏敏度:
度:
0.11000mV/pC频率范围:
频率范围:
0.3100KHz噪声噪声(最大增益最大增益):
折合至输入端小于:
折合至输入端小于5V准准确确度:
度:
1%最大输出:
最大输出:
10V/10mA电电源:
源:
220V/50Hz控制方式:
控制方式:
计算机或手动计算机或手动焊接式焊接式电荷放大器电荷放大器11/6/202227超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块灵灵敏敏度:
度:
1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围:
频率范围:
0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度):
输出端小于:
输出端小于1mV归归一一化:
外接电阻调整化:
外接电阻调整线性误差:
线性误差:
1%最大输出:
最大输出:
5V或或10V电电源:
源:
6V15V特点:
可组成经济的多点测试系统特点:
可组成经济的多点测试系统主要指标主要指标:
11/6/202228其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器11/6/202229多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形11/6/202230第三节第三节压电传感器的应用压电传感器的应用一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上,振薄膜粘贴在玻璃上,可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动,并时会发出的振动,并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。
中报警系统。
粘贴粘贴位置位置11/6/202231高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块将将厚厚约约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成1020mm大大小小。
在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极,再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线线。
并并用用保保护膜覆盖。
护膜覆盖。
使用时,用瞬干胶将其粘贴使用时,用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。
当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。
当玻璃遭暴力打碎的瞬间,压电薄膜感受到剧烈振动,瞬间,压电薄膜感受到剧烈振动,表面产生电荷表面产生电荷Q,在两个输出引在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。
脚之间产生窄脉冲报警信号。
11/6/202232由由于于外外力力作作用用在在压压电电元元件件上上产产生生的的电电荷荷只只有有在在无无泄泄漏漏的的情情况况下下才才能能保保存存,因因此此压压电电传传感感器器不不能能用用于于静静态态测测量量。
压压电电元元件件在在交交变变力力的的作作用用下下,电电荷荷可可以以不不断断补补充充,所所以以压压电电传感器只适用于动态测量。
传感器只适用于动态测量。
动动态态频频率率必必须须高高于于100Hz,但但在在30kHz以上时,灵敏度急剧下降。
以上时,灵敏度急剧下降。
小小贴贴士士11/6/20223322压电式周界报警系统压电式周
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- 压电 传感器