3.5 压电式传感器（课件）-高一《传感器及应用》同步精品课堂（高教版—第2版）

3.5 压电式传感器 传感器及应用 第一章 常用低压电器 1 学习目标 知识目标 熟悉和掌握压电式传感器的基本原理和结构。 能力目标 理解和运用压电式传感器的测量转换电路，以及压电式传感器的结构和应用等内容进行掌握。 情感目标 注重基本概念、基本原理、基本方法的阐述，并考虑中等职业教育的特点，避免了理论推导，增强了实际应用等方面的知识。 新课导入 思考：分小组总结压电式传感器的工作原理及结构。 新知学习 一 、基本工作原理 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电式传感器是一种力敏感器件， 它也可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度等。 新知学习 一 、基本工作原理 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其 表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。反之，在电 介质的极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或叫做电致伸缩效应。 1. 压电效应 新知学习 一 、基本工作原理 压电式传感器都是利用压电材料的正压电 效应。在水声和超声技术中，则利用逆压电效应制作声波和超声波的发射换能器。 1. 压电效应 新知学习 一 、基本工作原理 在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，但多数晶体的压电效应过于微弱。具有实用价 值的压电材料基本上可分为三大类：压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。 2. 压电材料 新知学习 一 、基本工作原理 压电晶体是一种单 晶体，例如石英晶体、酒石酸钾钠等；压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如钛酸钡、锆钛 酸铅、铌酸锶等；有机压电材料属于新一代的压电材料，其中较为重要的有压电半导体和高分子压电材料。下面以石英晶体与压电陶瓷为例简要说明压电效应。 2. 压电材料 新知学习 一 、基本工作原理 (1)石英晶体 根据结构分析，石英晶体结构是结晶六边形体系，棱柱体是它的基本组织，在它上面有三个直角坐标轴。 在沿着电轴x 方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；而把沿机械轴y 方向 力的作用下产生电荷的现象称为横向压电效应。当沿光轴z方向受力时，晶体不会产生压电效应。 2. 压电材料 新知学习 一 、基本工作原理 (2)压电陶瓷 压电陶瓷也是一种常用的压电材料。它与石英晶体不同，石英晶体是单晶体，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向，从而存在一定电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应相互抵消，所以原始的压电陶瓷呈中性，不具压电性质。 2. 压电材料 新知学习 一 、基本工作原理 当压电陶瓷在极化面上受到垂直于它均匀分布的作用力(即作用力沿极化方向)时，则 在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。 2. 压电材料 新知学习 一 、基本工作原理 3. 压电材料的主要特性指标 01 02 03 04 05 (1)压电系数d 它表示压电材料产生电荷与作用力的关系， 一般为单位作用力下产生电 荷的多少，单位为C/N (库/牛)。 ( 2 ) 刚 度 H 压电材料的刚度是决定其固有频率的重要参数。 (3)介电常数ε 这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频 率的下限值。 ( 4 ) 电 阻 R 它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。 (5)居里点 压电效应消失的温度转变点。 新知学习 二 、测量转换电路 压电元件在承受沿其敏感轴方向的外力作用时产生电荷，它相当于一个电荷发生器，当压 电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器；因此，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图3-31a所示。电容器上的电压 U、 电荷量 Q 和电容 C, 三者关系为 1. 压电元件的等效电路 新知学习 二 、测量转换电路 压电元件也可以等效为 一 个电压源和 一 个串联电容表示的电压等效电路 1. 压电元件的等效电路 新知学习 二 、测量转换电路 压电式传感器与二次仪表配套使用时，还应考虑到连接电缆的等效电容 C。若放大器的输入电阻为R,输入电容为 C₁,那么完整的等效电路如图所示。图中 R。是压电元件的漏电阻。 1. 压电元件的等效电路 新知学习 二 、测量转换电路 压电元件也可以等效为 一 个电压源和 一 个串联电容表示的电压等效电路 1. 压电元件的等效电路 新知学习 二 、测量转换电路 压电式传感器的输出信号非常微弱， 一般需要将电信号放大后才能检测出来。但因传感器 的内阻抗较高，因此它需要与高输入