,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,同学们好,！,1同学们好！,传感器技术,第五章,传感器技术第五章,第五章 压电式传感器,压电器件,受力、表面形变,电荷,Piezoelectric Transducer,传感器技术,第五章,3,第五章 压电式传感器压电器件受力、表面形变电荷Piezoel,5-1,压电效应和压电材料,一、压电效应,Piezoelectric Effect,2,、逆压电效应（电致伸缩）,Converse Piezoelectric Effect,Electrostrictive Effect,1,、正（顺）压电效应,Direct Piezoelectric Effect,传感器技术,第五章,4,5-1 压电效应和压电材料一、压电效应Piezoelec,压电介质,正压电效应,Q(E),电能,T(S),机械能,逆压电效应,压电常数,弹性常数（刚度）,介电常数,机电耦合系数,电阻,居里点,压电效应强弱：灵敏度,固有频率、动态特性,固有电容、频率下限,机电转换效率,泄漏电荷、改善低频特性,丧失压电性的温度,二、压电材料简介,Piezoelectric Material,传感器技术,第五章,5,压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效,常用压电材料,传感器技术,第五章,6,常用压电材料传感器技术第五章6,三、石英晶体的压电特性,居里点,573,，六角晶系结构,光轴,电轴,机械轴,Piezoelectric Features,for Quartz Crystal,传感器技术,第五章,7,三、石英晶体的压电特性居里点573，六角晶系结构光轴电轴机,x,轴方向受力：压力,x,轴方向受力：拉力,y,轴方向受力：压力,y,轴方向受力：拉力,传感器技术,第五章,8,x轴方向受力：压力x轴方向受力：拉力y轴方向受力：压力y轴方,四、压电陶瓷的压电现象,人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体,电畴,未极化前：不具压电性,撤销外电场,加外电场,E,Piezoelectric Phenomenon for Piezoelectric Ceramics,传感器技术,第五章,9,四、压电陶瓷的压电现象人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电,对外不呈极性,加力,F,：放电现象,取消,F,：充电现象,机械能 电能,正压电效应,传感器技术,第五章,10,对外不呈极性加力F：放电现象取消F：充电现象机械能,5-2,等效电路和测量电路,（,1,）并联,（,2,）串联,Equivalent Circuit and Measuring Circuit,一、压电晶片的连接方式,Connect Method for Piezoelectric Wafer,传感器技术,第五章,11,5-2 等效电路和测量电路（1）并联（2）串联Equiv,二、压电传感器的等效电路,只适宜动态测量,压电晶片,压电传感器,Equivalent Circuit for Piezoelectric Sensor,传感器技术,第五章,12,二、压电传感器的等效电路只适宜动态测量压电晶片压电传感器Eq,压电传感器在实际测量系统中的等效电路,传感器技术,第五章,13,压电传感器在实际测量系统中的等效电路传感器技术第五章13,三、压电传感器的测量电路,前置放大器的作用：,（,1,）放大 （,2,）阻抗转换,电压放大器,电荷放大器,1,、电压放大器,Measuring Circuit for Piezoelectric Sensor,传感器技术,第五章,14,三、压电传感器的测量电路前置放大器的作用：电压放大器1、电压,前置放大器输入端电压：,前置放大器输入端电压幅值：,输入电压与作用力间的相位差：,传感器技术,第五章,15,前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作,时间常数,传感器技术,第五章,16,时间常数传感器技术第五章16,输入电压与作用力间的相位差：,时间常数,传感器技术,第五章,17,输入电压与作用力间的相位差：时间常数传感器技术第五章17,讨论：,适合测量高频交变力,由运算放大器构成的电压比例放大器,传感器技术,第五章,18,讨论：适合测量高频交变力由运算放大器构成的电压比例放大器传感,2,、电荷放大器,灵敏度,与电缆电容无关,上限,下限,传感器技术,第五章,19,2、电荷放大器灵敏度与电缆电容无关上限下限传感器技术第五,5-3,压电传感器的应用,例,1,：压电式测力传感器,Application of Piezoelectric Sensor,传感器技术,第五章,压电式三向力传感器,20,5-3 压电传感器的应用例1：压电式测力传感器Applic,例,2,：压电式压力传感器,电极结构,预紧力,传感器技术,第五章,21,例2：压电式压力传感器电极结构预紧力传感器技术第五章21,例,3,：压电引信,压电陶瓷：弹丸起爆装置,破甲弹,传感器技术,第五章,22,例3：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置 破甲弹传感器技术,例,4,：火炮堂内压力测试,发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。,堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。,传感器技术,第五章,23,例4：火炮堂内压力测试发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射,例,5,：压电式加速度传感器,重块质量,加速度,传感器技术,第五章,24,例5：压电式加速度传感器 重块质量 加速度传感器技术,例,6,：冲击试验台的标定和检测,产品过载冲击试验,跌落高度,h,被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块,加速度,产品,传感器技术,第五章,25,例6：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验跌落高度h加速度,例,7,：汽车安全气囊系统,事故性碰撞：,点火信号、电点火管、气体发生剂、,气体、充气、弹性体,传感器技术,第五章,26,例7：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发,27,例,8,：气体发生器输出特性测试,密封容器压力测试法,传感器技术,第五章,27例8：气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法传感器技术,例,9,：振动测量仪,加速度,160 10 g,速度,0.4 80 cm/s,振幅,4 8 cm,转换开关,S,A,V,D,积分：振动速度、幅值,传感器技术,第五章,28,例9：振动测量仪加速度 160 10 g转换,例,10,：压电式血压传感器,例,11,：指套式电子血压计,传感器技术,第五章,29,例10：压电式血压传感器例11：指套式电子血压计传感器技术,传感器技术,第五章,30,传感器技术第五章30,例,12,：玻璃破碎报警器,传感器技术,第五章,31,例12：玻璃破碎报警器传感器技术第五章31,例,13,：水深测量仪,传感器技术,第五章,32,例13：水深测量仪传感器技术第五章32,例,14,：逆压电效应的应用,声表面波传感器,SAW,振子：,LC,谐振回路,振动频率,延迟时间,声表面波延迟线,SAW,（,Surface Acoustic Wave,）延迟线,传感器技术,第五章,33,例14：逆压电效应的应用声表面波传感器SAW振子：LC谐振回,34,用于结冰状况监测的冰传感器,结冰现象的危害,：,铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、,冷库物资防冰、飞机安全飞行,结冰状况监测,：是否结冰、冰层厚度,基于压电效应的冰传感器原理：,三电极的片式压电器件,传感器技术,第五章,34用于结冰状况监测的冰传感器结冰现象的危害：结冰状况监测：,电极,1,、,2,间加交变电压：,压电晶体机械振动，系统,的谐振频率：,等效刚度,等效质量,冰层检测原理,：,极板,1,上无附加物,：以自身的谐振频率作机械振动；,极板,1,上有冰冻,：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；,冰层越厚,：刚度增加越大，谐振频率越大。,传感器技术,第五章,35,电极 1、2 间加交变电压：等效刚度 等效质量冰层,1,、“基于压电器件的冰传感器”，,仪表技术与传感,器,，,2001,年,9,期,参考文献：,2,、“压电式振动给料器的研制”，,传感器技术,，,2001,年,4,期,预 习 作 业,1,、常用的热电阻有哪些？,2,、,NTC,热敏电阻的电阻,-,温度曲线？,3,、什么叫做热电效应？,传感器技术,第五章,36,1、“基于压电器件的冰传感器”，仪表技术与传感参考文献：2,压电元件在使用时常采用多片串联或并联的形式，,分析不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们,分别适用于何种应用场合？,在电荷放大器电路中，已知：,若考虑引线电容的影响，要求输出信号衰减小于,1%,，,求：使用,90pF/m,的电缆其最大允许长度为多少？,教材,153,页,3,、,7,题,传感器技术,第五章,37,压电元件在使用时常采用多片串联或并联的形式，在电荷放大器电路,