2.4压电式传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

2.4压电式传感器 0 01 概述 Contents 目录 02 压电效应与压电材料 03 压电式传感器的等效电路 04 压电式传感器的测量电路 05 压电式传感器的应用 引信 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有 电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小 重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、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。 首先来看几个利用压电式传感器进行测量的例子。 引信 弹 弹簧 压电品 药出电 速度 引出电极 时定蝶 原理图 b传感 构 压电式加速度传感 引信 PVDF压电电缆（公路 A、B共两根) Ao0ZapIT Tin0:25m/d ●● AB PVDF压电电缆测速原理 01 概述 1.压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）这种传感 器不需要外接电源，直接就能产生电压。它的工作原理是基于压电材料 的压电效应。在外力的作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电 量电测的目的。 2.特点 压电式传感器具有：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单， 工作可靠、重量轻、测量范围广的优点。它是力敏感元件，可以把加速 度、压力、位移、温度等许多非电量转化为电量。 02 压电效应与压电材料 1.压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生化 即。（原来不带电的介质，在某种条件下，其表面产生电荷的现象），同时 在它的两个表面上便产生符号相反的等量电荷，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。当作用力方向改变时，电荷的极 性也随之改变，有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效 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机械形 变，外加电场消失，形变随之消失，这种现象称为“逆压电效应”（电致 伸缩效应)。具有压电效应的物质称为在电材料，压电材料能实现 凯电能 量的相互转换如图所示。 正压电效应 电能 机械能 逆压电效应 ++++++ 02 压电效应与压电材料 压电材料主要特性参数有： 1 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它d=Q/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 入的能量（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.电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，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。 02 压电效应与压电材料 2.压电方程和压电常数矩阵 压电材料的压电特性常用压电方程来描述 q=d,0, 或 Q-dF 式中9 电荷的表面脂度Cm可 单位面积上的作用力(N/cm): d.乐电盒数(CN0i=1.2.3:1=1.2,3L.5,6, 压电常数有两个下角标，其中第一个角标表示品体的极化方向，当产生电荷的表面 垂直于r轴(y轴或：轴)时：记作1（或2,3），第二个下角标1（或2,3,4,5,6），分别 表示沿x轴y轴、：轴方向的单向应力和在垂直于上轴、y轴，：轴的平面内作用的剪切力。 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负：萌切力的符号用右螺旋定侧确定 品体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定 q=dua +dias +dua+dua+duas +disas 9:=dna +daa:+dna+da+disas +dcas (4-2) q dia +dse:daa+duas +dad,+dsa 式中， 垂直于x轴，y轴和：轴的表面上的电荷密度： 02 压电效应与压电材料 当在同一切片的各个面上作用 着多个应力时，用8、6、8分别表 示垂直于x、y、z轴的x面、y面、面 上的电荷密度；用σO、、O g、c,表示各个面上的应力：用d,表 示应力σ对6贡献大小的系数，称为 压电系数。则有