2.2.2 压电式传感器测量力（压电材料及应用）（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

●项目—— 力的测量 ● 任务——压电式传感器测量力 1 压 电 材 料 （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。压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。 主要特性参数 2 ► 压电材料——压电材料的分类及特性 压电式传感器测量力 晶振 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 ► 压电材料——压电材料的分类及特性 压电式传感器测量力 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 妮酸盐系列压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷 （PMN） 钛酸钡压电陶瓷 ● 压电陶瓷 √ 优点：很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。 √ 缺点：是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 √ 压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。 √ 可以获得不同性能的PZT材料。 √ 是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 √ 以铁电体铌酸钾（KNbO3） 和铌酸铅（PbNbO3）为基础。 √ 具有较高的压电常数（d 11 =（ 800~900）× 10-12C/N）和居里点（ 260℃ ），它能在压力大至70 MPa时正常工作 ► 压电材料——压电元件的结构形式 压电式传感器测量力 ● 基本原理：利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷 （ 或电压 ) 输出。 并 联 接 法 √ 两个压电片的负端粘接在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。 √ 电容量增加了1倍，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1 倍，输出电压与单片时相同。 ► 压电材料——压电元件的结构形式 压电式传感器测量力 ● 基本原理：利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电元件上时，传感器就有电荷 （ 或电压 ) 输出。 串 联 接 法 √ 两压电片不同极性端粘接在一起，从电路上看是串联的。 √ 两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的 1/2 ，输出电压增大了1倍。 压电式传感器测量力 ► 压电式传感器的应用——压电式力传感器 ● 压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力-电转换装置。 ● 常用的形式：荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成。 ● 主要用于频率变化不太高的动态力的测量。 传力上盖 压电片 电极 电极引出插头 绝缘材料 底座 绝缘材料 压电式传感器测量力 ► 压电式传感器的应用——压电式力传感器 压电传感器 刀架 车刀 工件 压电传感器 刀具 切削力 信号 压电式传感器测量力 ► 压电式传感器的应用——压电式加速度传感器 ● 优点：灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限高、动态范围大。 ● 缺点：易受外界干扰，在测量前需进行各种校验。 ● 压电式加速度传感器的主要由：压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 压电式传感器测量力 ► 压电式传感器的应用——压电式加速度传感器 ● 作用：对质量块加载，产生预压力，以保证在作用力变化时晶片始终受到压缩 ● 惯性力 F＝ma q＝d33F＝d33ma ► 任务实施 压电点火器 煤气灶电子点火装置 ● 煤气灶电子点火装置原理是利用高压跳火来点燃煤气 ← $$