传感器技术-第二版--压电式传感器解析课件

1同学们好同学们好！1同学们好！同学们好！传感器技术第五章传感器技术传感器技术第五章第五章压电器件压电器件压电器件压电器件受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变电荷电荷电荷电荷Piezoelectric Transducer传感器技术第五章3第五章第五章 压电式传感器压电器件受力、表面形变电荷压电式传感器压电器件受力、表面形变电荷Piezoel5-1 5-1 压电效应和压电材料压电效应和压电材料一、压电效应一、压电效应一、压电效应一、压电效应 Piezoelectric EffectPiezoelectric Effect2 2 2 2、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）Converse Piezoelectric EffectConverse Piezoelectric EffectElectrostrictive EffectElectrostrictive Effect1 1 1 1、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应、正（顺）压电效应 Direct Piezoelectric EffectDirect Piezoelectric Effect传感器技术第五章45-1 压电效应和压电材料一、压电效应压电效应和压电材料一、压电效应Piezoelec压电介质压电介质压电介质压电介质正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应Q(E)Q(E)电能电能电能电能T(S)T(S)机械能机械能机械能机械能逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应压电常数压电常数压电常数压电常数弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）介电常数介电常数介电常数介电常数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数电阻电阻电阻电阻居里点居里点居里点居里点压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有电容、频率下限固有电容、频率下限固有电容、频率下限固有电容、频率下限机电转换效率机电转换效率机电转换效率机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度丧失压电性的温度丧失压电性的温度丧失压电性的温度二、压电材料简介二、压电材料简介二、压电材料简介二、压电材料简介Piezoelectric MaterialPiezoelectric Material传感器技术第五章5压电介质正压电效应压电介质正压电效应Q(E)电能电能T(S)机械能逆压电效机械能逆压电效常用压电材料常用压电材料常用压电材料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常用压电材料传感器技术第五章第五章6三、石英晶体的压电特性三、石英晶体的压电特性三、石英晶体的压电特性三、石英晶体的压电特性居里点居里点居里点居里点573573，六角晶系结构，六角晶系结构，六角晶系结构，六角晶系结构光轴光轴光轴光轴电轴电轴电轴电轴机械轴机械轴机械轴机械轴Piezoelectric FeaturesPiezoelectric Featuresfor Quartz Crystalfor Quartz Crystal传感器技术第五章7三、石英晶体的压电特性居里点三、石英晶体的压电特性居里点573，六角晶系结构光轴电轴机，六角晶系结构光轴电轴机x x轴方向受力：压力轴方向受力：压力轴方向受力：压力轴方向受力：压力x x轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力y y轴方向受力：压力轴方向受力：压力轴方向受力：压力轴方向受力：压力y y轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力传感器技术第五章8x轴方向受力：压力轴方向受力：压力x轴方向受力：拉力轴方向受力：拉力y轴方向受力：压力轴方向受力：压力y轴方轴方四、压电陶瓷的压电现象四、压电陶瓷的压电现象四、压电陶瓷的压电现象四、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人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴电畴电畴电畴未极化前：不具压电性未极化前：不具压电性未极化前：不具压电性未极化前：不具压电性撤销外电场撤销外电场撤销外电场撤销外电场加外电场加外电场加外电场加外电场E EPiezoelectric Phenomenon for Piezoelectric CeramicsPiezoelectric 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对外不呈极性对外不呈极性对外不呈极性加力加力加力加力F F：放电现象：放电现象：放电现象：放电现象取消取消取消取消F F：充电现象：充电现象：充电现象：充电现象机械能机械能机械能机械能 电能电能电能电能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应传感器技术第五章10对外不呈极性加力对外不呈极性加力F：放电现象取消：放电现象取消F：充电现象机械能：充电现象机械能 5-2 5-2 等效电路和测量电路等效电路和测量电路（1 1）并联）并联）并联）并联（2 2）串联）串联）串联）串联Equivalent Circuit and Measuring Circuit Equivalent Circuit and Measuring Circuit 一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式Connect Method for Piezoelectric WaferConnect Method for Piezoelectric Wafer传感器技术第五章115-2 等效电路和测量电路（等效电路和测量电路（1）并联（）并联（2）串联）串联Equiv二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路只适宜动态测量只适宜动态测量只适宜动态测量只适宜动态测量压压压压电电电电晶晶晶晶片片片片压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器Equivalent Circuit for Equivalent Circuit for Piezoelectric SensorPiezoelectric 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压电传感器在实际测量压电传感器在实际测量压电传感器在实际测量系统中的等效电路系统中的等效电路系统中的等效电路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第五章13三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路前置放大器的作用：前置放大器的作用：前置放大器的作用：前置放大器的作用：（1 1）放大）放大）放大）放大 （2 2）阻抗转换）阻抗转换）阻抗转换）阻抗转换电压放大器电压放大器电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器1 1 1 1、电压放大器、电压放大器、电压放大器、电压放大器Measuring Circuit for Measuring Circuit for Piezoelectric SensorPiezoelectric 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、电压前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：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：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：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时间常数时间常数时间常数传感器技术第五章16时间常数传感器技术时间常数传感器技术第五章第五章16输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：时间常数时间常数时间常数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第五章17讨论：讨论：讨论：讨论：适合测量高频交变力适合测量高频交变力适合测量高频交变力适合测量高频交变力由运算放大器构成的由运算放大器构成的由运算放大器构成的由运算放大器构成的电压比例放大器电压比例放大器电压比例放大器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 2 2 2、电荷放大器、电荷放大器、电荷放大器、电荷放大器灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度与电缆电容无关与电缆电容无关与电缆电容无关与电缆电容无关上限上限上限上限下限下限下限下限传感器技术第五章192、电荷放大器灵敏度与电缆电容无关上限下限传感器技术、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第五5-3 5-3 压电传感器的应用压电传感器的应用例例例例1 1 1 1：压电式测力传感器：压电式测力传感器：压电式测力传感器：压电式测力传感器Application of Application of Piezoelectric SensorPiezoelectric Sensor传感器技术第五章压电式三向力传感器压电式三向力传感器压电式三向力传感器压电式三向力传感器205-3 压电传感器的应用例压电传感器的应用例1：压电式测力传感器：压电式测力传感器Applic例例例例2 2 2 2：压电式压力传感器：压电式压力传感器：压电式压力传感器：压电式压力传感器电极结构电极结构电极结构电极结构预紧力预紧力预紧力预紧力传感器技术第五章21例例2：压电式压力传感器电极结构预紧力传感器技术：压电式压力传感器电极结构预紧力传感器技术第五章第五章21例例例例3 3 3 3：压电引信：压电引信：压电引信：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置 破甲弹破甲弹破甲弹破甲弹传感器技术第五章22例例3：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置 破甲弹传感器技术破甲弹传感器技术例例例例4 4 4 4：火炮堂内压力测试：火炮堂内压力测试：火炮堂内压力测试：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。发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。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，而且堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且堂内压力的大小，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。与火炮、弹丸的设计有着密切关系。与火炮、弹丸的设计有着密切关系。与火炮、弹丸的设计有着密切关系。传感器技术第五章23例例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：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例例例5 5 5 5：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器 重块质量重块质量重块质量重块质量 加速度加速度加速度加速度传感器技术第五章24例例5：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器 重块质量重块质量 加速度传感器技术加速度传感器技术例例例例6 6 6 6：冲击试验台的标定和检测：冲击试验台的标定和检测：冲击试验台的标定和检测：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验产品过载冲击试验跌落高度跌落高度跌落高度跌落高度h h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度加速度加速度加速度产品产品产品产品传感器技术第五章25例例6：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验跌落高度：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验跌落高度h加速度加速度例例例例7 7 7 7：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体传感器技术第五章26例例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：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例例例例8 8 8 8：气体发生器输出特性测试：气体发生器输出特性测试：气体发生器输出特性测试：气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法密封容器压力测试法密封容器压力测试法密封容器压力测试法传感器技术第五章27例例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：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例例例9 9 9 9：振动测量仪：振动测量仪：振动测量仪：振动测量仪加速度加速度加速度加速度 160 10 g160 10 g速度速度速度速度 0.4 80 cm/s0.4 80 cm/s振幅振幅振幅振幅 4 8 cm4 8 cm转换开关转换开关转换开关转换开关S SA AV VD D积分：振动速度、幅值积分：振动速度、幅值积分：振动速度、幅值积分：振动速度、幅值传感器技术第五章28例例9：振动测量仪加速度：振动测量仪加速度 160 10 g转换转换例例例例10101010：压电式血压传感器：压电式血压传感器：压电式血压传感器：压电式血压传感器例例例例11111111：指套式电子血压计：指套式电子血压计：指套式电子血压计：指套式电子血压计传感器技术第五章29例例10：压电式血压传感器例：压电式血压传感器例11：指套式电子血压计传感器技术：指套式电子血压计传感器技术传感器技术第五章30传感器技术传感器技术第五章第五章30例例例例12121212：玻：玻：玻：玻璃破碎报璃破碎报璃破碎报璃破碎报警器警器警器警器传感器技术第五章31例例12：玻璃破碎报警器传感器技术：玻璃破碎报警器传感器技术第五章第五章31例例例例13131313：水深测量仪：水深测量仪：水深测量仪：水深测量仪传感器技术第五章32例例13：水深测量仪传感器技术：水深测量仪传感器技术第五章第五章32例例例例14141414：逆压电效应的应用：逆压电效应的应用：逆压电效应的应用：逆压电效应的应用声表面波传感器声表面波传感器声表面波传感器声表面波传感器SAWSAW振子：振子：振子：振子：LCLC谐振回路谐振回路谐振回路谐振回路振动频率振动频率振动频率振动频率延迟时间延迟时间延迟时间延迟时间声表面波延迟线声表面波延迟线声表面波延迟线声表面波延迟线SAWSAW（Surface Acoustic Surface Acoustic WaveWave）延迟线）延迟线）延迟线）延迟线传感器技术第五章33例例14：逆压电效应的应用声表面波传感器：逆压电效应的应用声表面波传感器SAW振子：振子：LC谐振回谐振回34用于结冰状况监测的冰传感器用于结冰状况监测的冰传感器用于结冰状况监测的冰传感器用于结冰状况监测的冰传感器结冰现象的危害结冰现象的危害结冰现象的危害结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、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、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测结冰状况监测结冰状况监测结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度：是否结冰、冰层厚度：是否结冰、冰层厚度：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：三电极的片式压电器件三电极的片式压电器件三电极的片式压电器件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：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：电极电极电极电极 1 1、2 2 间加交变电压：间加交变电压：间加交变电压：间加交变电压：压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统的谐振频率：的谐振频率：的谐振频率：的谐振频率：等效刚度等效刚度等效刚度等效刚度 等效质量等效质量等效质量等效质量冰层检测原理冰层检测原理冰层检测原理冰层检测原理：极板极板极板极板1 1 1 1上无附加物上无附加物上无附加物上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；：以自身的谐振频率作机械振动；：以自身的谐振频率作机械振动；：以自身的谐振频率作机械振动；极板极板极板极板1 1 1 1上有冰冻上有冰冻上有冰冻上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚冰层越厚冰层越厚冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。：刚度增加越大，谐振频率越大。：刚度增加越大，谐振频率越大。：刚度增加越大，谐振频率越大。传感器技术第五章35电极电极 1、2 间加交变电压：间加交变电压：等效刚度等效刚度 等效质量冰层等效质量冰层1 1、“基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器”，仪表技术与传感仪表技术与传感仪表技术与传感仪表技术与传感 器器器器，20012001年年年年9 9期期期期参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：2 2、“压电式振动给料器的研制压电式振动给料器的研制压电式振动给料器的研制压电式振动给料器的研制”，传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术，20012001年年年年4 4期期期期预预 习习 作作 业业1 1 1 1、常用的热电阻有哪些？、常用的热电阻有哪些？、常用的热电阻有哪些？、常用的热电阻有哪些？2 2 2 2、NTCNTCNTCNTC热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻热敏电阻的电阻-温度曲线？温度曲线？温度曲线？温度曲线？3 3 3 3、什么叫做热电效应？、什么叫做热电效应？、什么叫做热电效应？、什么叫做热电效应？传感器技术第五章361、“基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器”，仪表技术与传感参考文献：，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，压电元件在使用时常采用多片串联或并联的形式，压电元件在使用时常采用多片串联或并联的形式，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，它们分析不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分析不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们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？分别适用于何种应用场合？分别适用于何种应用场合？分别适用于何种应用场合？在电荷放大器电路中，已知：在电荷放大器电路中，已知：在电荷放大器电路中，已知：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若考虑引线电容的影响，要求输出信号衰减小于若考虑引线电容的影响，要求输出信号衰减小于若考虑引线电容的影响，要求输出信号衰减小于 1%1%，求：使用求：使用求：使用求：使用 90pF/m 90pF/m 的电缆其最大允许长度为多少？的电缆其最大允许长度为多少？的电缆其最大允许长度为多少？的电缆其最大允许长度为多少？教材教材教材教材153153153153页页页页 3 3 3 3、7 7 7 7题题题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