任务8 压电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（重庆大学版）

任务8 压电式传感器 任务导航 压电式传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，所以它能测量最终转换为力的物理量，如压力、加速度等。最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。 压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点。近年来，由于电子技术迅猛发展，随着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，使压电传感器使用更为方便，集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来。 学习目标 1.知识目标 （1）知道压电效应； （2）了解压电材料； （3）掌握压电式传感器测量电路； （4）了解压电式传感器应用。 2.能力目标 （1）会正确操作传感器与检测技术综合实验台； （2）会对实验数据进行分析； （3）按操作规程进行操作，具有安全操作意识； （4）了解压电式传感器测量振动的原理及方法； （5）能够正确按照电路要求对压电式传感器模块等进行正确接线，并调试； （6）完成实验报告。 8.1 压电效应 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，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，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。 8.1.1 石英晶体的压电效应 图8.1 石英晶体 8.1.2 压电陶瓷的压电效应 图8.2 压电陶瓷的极化过程和压电原理图 8.2 压电材料 压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是多晶体。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。 8.2.1 石英晶体 石英就是二氧化硅（SiO2），是一种压电晶体，除了石英晶体外，常用的压电晶体还有酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O），铌酸锂（LiNbO2）等。 8.2.2 压电陶瓷 1．钛酸钡压电陶瓷 由钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和氧化钛（TiO2）在高温下合成。 2．锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的固溶体Pb（ZrTiO3）。 3．铌酸盐系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO2）为基础制成。 除了以上几种压电材料，近年来，又出现了铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），具有极高的压电常数，居里点为260℃，可承受700kg/cm2的压力。 8.3 压电式传感器测量电路 8.3.1 压电器件的串联与并联 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。 8.3.2 压电式传感器的等效电路 可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源，如图8.4（a）所示。压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电路，如图8.4（b）。 图8.3 压电元件的串联和并联接法 图8.5 压电传感器的实际等效电路 图8.4 压电传感器的等效电路 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。如图8.5所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。 8.3.3 压电式传感器的测量电路 1．电压放大器（阻抗变换器） 前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为w/w0>3时就可以认为Uim与w无关。 图8.6 电压放大器电路原理及其等效电路图 2．电荷放大器 由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压为 通常A=104～106，因此若满足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，则 图8.7 电荷放大器等效电路 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 8.4 压电式传感器应用举例 1．压电式压力传感器 （1）单向力传感器 （2）压电式压力传感器测量冲床压力 （3）压电式压力传感器测量金属加工切削力 图8.9 冲床压力检测 图8.8 单向压电石英力传感器的结构 图8.10 压电式刀具切削力测量示意图 2．压电式加速度传感器 3．用压电式传感器测表面粗糙程度 图8.11