文档介绍：第六章压电式传感器
学习要求
理解压电式传感器的传感机理:压电效应
掌握常用的压电材料的主要特性:
石英晶体
压电陶瓷
掌握压电传感器的测量电路
了解压电传感器的应用
理解SAW传感器的基本原理
掌握SAW传感器的工作机理
SAW气敏传感器
SAW流量传感器
学习内容
第一节压电式传感器概述
第二节压电效应及压电材料
第三节压电式传感器的测量电路
第四节压电式传感器的应用
第五节声表面波传感器(SAW)
压电传感器是典型的无源传感器。
又称自发电式传感器及电势式传感器。
压电传感器工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。
特点:
体积小、重量轻、结构简单、工作可靠;
适合动态力学测量(加速度、冲击),不适合测量静态量。(为什么?)
第一节压电式传感器概述
应用:
声纳系统。
压电引信(炮弹引爆装置)、燃气点火具。
导弹、飞机的冲击和振动测量。
测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力
微米级位移调控:色织机编织调控
动态切削测力仪
SAW传感器
超声波设备
地震探测:
压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,用它来制作压电地震仪,能精确地测出地震强度,指示出地震的方位和距离。
国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15英寸的显像管,使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了。
压电蜂鸣器
发展:
1880年法国人居里兄弟发现了"压电效应"。
1942年,第一个压电陶瓷材料--钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。
50年代初,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。从此,压电陶瓷的发展进入了新的阶段。
无铅压电陶瓷
正压电效应
一些晶体结构的材料,当沿着一定方向受到外力作用时,内部产生极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;
而当外力去掉后,又恢复不带电的状态;
当作用力方向改变时,电荷的极性也随着改变;
晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比,这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。
逆压电效应
如果给晶体施加以交变电场,晶体本身则产生机械变形,这种现象称为逆压电效应,又称电致伸缩效应。
压电效应具有可逆性。
第二节压电效应及压电材料
一、压电效应
(a)具有压电效应的晶体
(b)不具有压电效应的晶体
一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心重合,单位体积的电矩等于零,当晶体在外力作用下产生形变时,正负电荷的中心发生分离,电矩不再为零,晶体表现出极性。
二、压电材料
具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机-电能量的相互转换。
在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等材料是性能优良的压电材料。
压电材料分为:
压电晶体
压电陶瓷
高聚物和复合材料(压电陶瓷和高聚物复合)。
高分子材料压电传感器
高分子材料聚偏氟乙烯(PVF2)具有压电特性。
特点:
压电系数大,频率响应宽;
机械强度好,质量轻,耐冲击。(压电陶瓷易碎)
应用:
压电薄膜制成的称重传感器;
高分子压电薄膜制成机器人触觉敏感元件。
1. 压电材料的主要特性参数
(1)压电常数:是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。
(2)弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
(3)介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
(4)机械耦合系数:在压电效应中,其值等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。
(5)电阻:压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。
(6)居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度。