精品中职 《传感器与检测技术 》教学课件项目05 压电式传感器的应用

传感器与检测技术 1 任务 压电传感器在振动测量中的应用 项目五 压电式传感器的应用 目 录 　　1.掌握压电传感器的工作原理。 　　2.掌握压电传感器测量振动的方法。 学习重点 项目五 压电式传感器的应用 * 某些电介质如石英、钛酸钡等，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的等量电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 　　能产生压电效应的电解质被称为压电材料或者压电元件，依据压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。原理图如图所示。 一、压电效应 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q和所施的力F之间的关系是：Q=dF 式中：d—压电材料的压电系数。 压电效应原理图 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 一、压电效应 * 　　压电效应原理图 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 一、压电效应 * 在生产生活中，有很多场合会用到压电效应，比如电子打火机就是利用正压电效应来点火的，其原理是利用压电材料构成的电子火石通过敲击，产生高压，并且通过尖端放电来点燃火焰，其实很多的煤气灶和电子点火枪都是采用这种方式来点火的。还可以利用正压电效应原理制作的压电键盘等。 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 一、压电效应 * 　　正压电效应的应用 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 一、压电效应 * 利用逆压电效应原理工作的设备也很多，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会在被按压时发出逼真有趣的蜂鸣声，如果将高频电信号加在压电元件上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号，利用该原理可以制造麦克风、立体声耳机和高频扬声器等，还应用于制造超声波探头。 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 一、压电效应 * 逆压电效应的应用 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 一、压电效应 * 　　常用的压电材料一共有三种：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。 　　1.石英晶体 　　压电晶体一般指压电单晶体，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。水晶（α石英）是一种有名的压电晶体，它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　石英晶体 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　它是二氧化硅的单晶体。石英等压电单晶压电系数很小 ，介电常数很低，但稳定性很高，在20℃～200℃的范围内压电常数的变化率只有-0.0001/℃，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　2.压电陶瓷 　　压电陶瓷是人工制造的一种多晶压电体。压电陶瓷由无数单晶（电畴）组成，电畴的结构与铁磁材料磁畴结构类似。虽然每个单晶（电畴）都有压电效应，但是组成多晶之后，各单晶（电畴）的压电效应相互抵消，所以原始的压电陶瓷没有压电效应，必须经过极化处理。极化处理就是在一定温度条件下，对压电陶瓷加上强电场，使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余极化强度。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　陶瓷极化过程示意图 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差，由于压电陶瓷的制造成本较低，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。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等），如图所示。 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　各类压电陶瓷片 二、压电材料 任务一 压电传感器在振动测量中的应用 * 　　3.高分子压电材料 　　高分子压电材料又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料是化学性能稳定的柔性材料，成型性能良好、耐冲击、弹性柔软性好，可制造大面积薄膜。其声阻抗与水接近，能很好地与水介质匹配，可用来制作频率较高的换能器以及宽频带水听器。 二、压