5 压电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目五 压电式传感器 项目分析 任务5.1　 认识压电式传感器 任务5.2　压电式传感器的应用 项目五　压电式传感器 项目分析 了解压电式传感器 熟悉压电式传感器的应用 能正确使用常用的压电式传感器 任务分析 1 任务5.1 认识压电式传感器 相关知识 2 技能训练 3 知识拓展 4 任务分析 本任务主要介绍常用的压力式传感器。通过学习，可以了解常用的压电传感器的基本结构、工作原理及应用特点，具备识别各类压电式传感器的初步能力。 1．压电式传感器的基本原理 图5－1 压电式传感器 图5—1所示为常用的压电式传感器 相关知识 图5-2 压电效应 正压电效应和逆压电效应： 自然界具有压电效应的材料很多，目前常用压电材料有压电晶体(单晶)、压电陶瓷(多晶半导瓷)和新型压电材料三类。 2．压电材料 1）石英晶体 石英晶体是最具有代表性的压电晶体，天然石英晶体和人工石英晶体都属于单晶体，外形呈正六面体，如图5－3所示。 图5 -3 石英晶体 石英是一种各向异性晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大，取一个切片，其三个直角坐标中，Z轴称晶体的对称轴，该轴方向没有压电效应；X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上；Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形最显著。 图5－4 石英晶体切型 2）压电陶瓷 斜压电陶瓷如图5-5所示，它是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，有一定的极化方向。 图5-5压电陶瓷 每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性，不具有压电性，如图5－6(a)所示。要使之具有压电性，必须极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列，如图5－6 (b)所示；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性，如图5－6(c)所示。 图5－6压电陶瓷极化处理 3）新型压电材料 新型压电材料可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。 压电半导体材料显著的特点是：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件。也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电式传感器测试系统。 有机高分子压电材料是一种柔软的压电材料，主要包括：某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯(PVDF)；以及高分子化合物中掺杂压电陶瓷PzT或BaTi03 粉末制成的高分子压电薄膜等。它们常用于廉价振动传感器、水声传感器、50GHZ以下超声传感器。 1）压电式传感器的等效电路 3．压电式传感器的等效电路和与测量电路 当压电式传感器中的压电元件承受被测被测机械应力的作用时，在两个电极的表面出现等量而极性相反的电荷。根据电容器原理，它可等效为一个电容器，如图5－7所示。当两极聚集一定电荷时，两极板之间就存在一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca 的并联电路；也可等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路。 图5－7 压电式传感器的等效电路 a)原理图 b)电荷源 c)电压源 2）压电式传感器的测量电路 压电式传感器在实际使用时，总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电式传感器的泄漏电阻 Ra。这样，压电式传感器在测量系统中的实际等效电路，如图5－8所示。 图5－8 压电式传感器的实际等效电路 a)电压源 b)电荷源 压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此要求后面与它配接的测量电路需要接入一个高输入阻抗前置放大器。 图5－9 电压元件接电荷放大器等效电路 技能训练 训练目的 训练器材 训练内容与步骤 认识各种压电材料，认识压电式传感器。 1．训练目的 石英晶体、压电陶瓷、压电薄膜、压电半导体等多种压电材料。 2．训练器材 （1）识别各种压电材料并填入下表5－1 3．训练内容与步骤 表5-1 压电材料的识别 （2）书面练习各种压电材料，结果填入表5－2 表5－2 压电材料的识别 压电材料现状 1.压电薄膜(Piezo Film