项目13 压电式振动传感器的安装与测试（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

项目13 压电式振动传感器的安装与测试 项目描述 本项目安装并测试一台压电式振动传感器。 压电式传感器其有灵敏度高、频带宽、质量轻、体积小、工作可靠等优点，随着电子技术的发展，与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 知识和能力目标； 掌握压电效应概念。 了解压电式传感器的性能、特点。 熟悉压电元件的连接方式。 能分析由压电传感器组成检测系统的工作原理，正确应用和维护压电传感器。 一、认识压电效应及压电材料 （一） 压电效应 1.压电效应的概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 2．压电效应原理 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理 （1）在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象，如图8-4（a）所示。 （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形，如图8-4（b）所示。硅离子的正电荷中心上移，氧离子的负电荷中心下移，正负电荷中心分离，在晶体的x面的上表面产生正电荷，下表面产生负电荷而形成电场。反之，如果受到拉力作用时，情况恰好相反，x面的上表面产生负电荷，下表面产生正电荷。如果受到的是交变力，则在x面的上下表面间将产生交变电场。如果在x上下表面镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。 （3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形，如图8-4（c）所示。硅离子的正电荷中心下移，氧离子的负电荷中心上移，在x面的上表面产生负电荷，在x面的下表面产生正电荷，这个过程恰好与x轴方向受压力时的情况相反。 （4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx上时，x面上产生的电荷为 Q=d11Fx （8-1） 式中，d11为压电常数。 在y轴方向施加压力时，在x面上产生的电荷为 Q = d12Fy = - d11Fy （8-2） 式中，l、δ分别为石英晶片的长度与厚度。 （二）压电材料 1. 压电材料的主要特性参数 压电材料的主要特性参数有如下几个。 （1）压电常数 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）绝缘电阻 电阻压电材料的绝缘电阻能减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6）居里点 2. 常用压电材料 （1）石英晶体 它的突出优点是性能非常稳定，介电常数与压电系数的温度稳定性特别好，且居里点高，达到575℃（即到575℃时，石英晶体将完全丧失压电性质）。此外，它还具有很大的机械强度和稳定的机械性能，绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、迟滞小等优点。但石英晶体的压电常数小（d11=2.31×1012C/N），灵敏度低，且价格较贵，所以只在标准传感器、高精度传感器或高温环境下工作的传感器中作为压电元件使用。石英晶体分为天然与人造晶体两种。 （2）压电陶瓷 压电陶瓷的压电系数很高，具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，制造成本很低。因此，在实际应用中的压电传感器，大多采用压电陶瓷材料。压电陶瓷的弱点是，居里点较石英晶体要低200~400℃，性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。常用的压电陶瓷材料有以下几种： ①钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） 常用的压电陶瓷材料有以下几种： ①钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） ②锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） ③铌酸盐系列压电陶瓷 ④铌镁酸铅压电陶瓷（PMN） （3）高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜 二、压电式传感器测量电路 （一）压电式传感器的等效电路 压电元件的等效电路 压电元件实际的等效电路图 1. 电荷放大器 2. 电压放大器（阻抗变换器） 项目实施 三、压