2.5 压电式传感器(课件）-高二《传感器及应用》同步教学（机械工业版）

讲授内容： ● 2.5 压电式传感器 ● 2.6 超声波传感器 ● 2.7 磁敏传感器 解决问题： 1.什么是压电效应？常用压电材料有哪些？石英晶体的压电特性是什么？压电陶瓷的压电特性是什么？电荷放大器有什么特点？压电元件有哪些应用？ 2.超声波探头有哪些类型？超声波传感器有哪些应用？ 3.什么是霍尔效应？霍尔式传感器是如何组成的？霍尔式传感器有哪些应用？霍尔集成电路有哪些类型？霍尔式传感器如何测量位移？应用开关式霍尔集成电路要注意什么问题？ 1 2.5 压电式传感器 示例： 压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）。它利用压电效应把非电量转换为电量。压电式传感器是一种力敏元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、加速度等，均可测量。同时，它又是一种可逆型换能器，常用作超声波发射与接收装置。这种传感器具有体积小，重量轻，精确度高和灵敏度高等优点。 2.5.1 压电材料与压电效应 压电效应： 当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时，其内部便会产生极化现象，在它们的上、下表面会产生符号相反的等量电荷；当外力的方向改变时，其表面产生的电荷极性也随之改变；当外力消失后又恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。 逆压电效应： 若在电介质的极化方向上施加电场，也将产生机械形变，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 常用压电材料： 有压电效应的物质很多，但可用的有石英晶体，压电陶瓷，压电薄膜等，其性能见表2-4。 4 1.石英晶体的压电效应 （1）石英晶体切片 光轴(z轴) 电轴(x轴) 机械轴(y轴) 切片长边平行于y轴的称为X切族，平行于x轴的称为Y切族。 “纵向压电效应”：沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应； “横向压电效应”：沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应 光轴方向受力时不产生压电效应。 5 式中，d11称为纵向压电系数，典型值为2.31。双角标第1位表示产生电荷表面所垂直的轴，第2位表示外力平行的轴，x为1，y为2，z为3。 由式（2-21）可以看出，纵向压电效应与晶片的尺寸无关。 （2）纵向压电效应 对X切族的晶体切片，当沿电轴方向有作用力Fx时，在与电轴垂直的平面上产生电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 6 石英晶体的受力方向与产生电荷极性的关系如图2-24所示，当施加压缩力时，在x轴正方向的一面产生正电荷，另一面则产生负电荷；当施加拉伸力时，电荷的极性相反。 石英晶体切片受力与电荷极性示意图 7 （3）横向压电效应 如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平面上，其电荷量为 式中，d12=为横向压电系数，l为压电片的长度，δ为压电片的厚度。 由式（2-22）可以看出，横向压电效应与晶片的几何尺寸有关；横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 8 2.压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体物质，是一种人造的多晶体压电材料，在一定的高温(100～170℃)下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度，当沿极化方向（定为z轴）施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q与力成正比，即 式中，d33称为纵向压电系数，可达几十至数百。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 10 3.高分子压电材料（PVDF） PVDF即聚偏氟乙烯高分子材料。PVDF具有独特介电效应、压电效应、热点效应。PVDF薄膜又称压电薄膜。因此 这种材质不能直接焊接，必须通过在上下表面涂抹导电涂层才能实现数据和电流的传递。可用502胶粘贴固定。 广泛应用于压力、加速度、温度、声和无损检测等。尤其在医学领域中，广泛用作脉搏计、血压计、起搏计、生理移植和胎心音探测器等传感元件。 11 2.5.2 电荷放大器 1.压电元件的等效电路和电路符号 12 2.电荷放大器 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 13 电路的下限截止频率为 实际的电荷放大器由电荷转换级、适调放大级、低通滤波级、电压放大级、过载指示电路和功放级六部分组成。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 14 $