《传感器原理与应用技术教学课件》第五章 压电传感器15.pptVIP

第五章 压电传感器 5.1 压电效应 压电效应 石英晶体的压电效应 压电系数 压电陶瓷的压电效应 一、压电效应 二、石英晶体的压电效应 2、压电效应机理 3、横向压电效应和纵向压电效应 二、压电常数 2、沿电轴（X）方向 受到外力F 3、沿机械轴受到 外力为F 三、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷： 5.2 压电材料 压电晶体 压电材料 新型压电材料 一、压电晶体 压电晶体的种类很多,如石英、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵（ADP）、硫酸锂等。其中,石英晶体是压电传感器中常用的一种性能优良的压电材料。 石英晶体特点 稳定，介电常数和压电常数的温度稳定性好。0-200℃，温度每升高一度，降低0.061%400℃，降低5% 超过500 ℃ ，d11急剧下降 迟滞小、线性范围宽、重复性好 压电常数小，大多用在标准传感器、高精度传感器 二、压电陶瓷 压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟 温度稳定性、长期稳定性、机械长度相对低 常用陶瓷材料：钛酸钡，锆钛酸铅（PZT）、铌酸锂等。 小结 5.3 等效电路和测量电路 5.3.1：等效电路 等效1：电荷元与电容并联等效2: 电压源与电容串联 5.3.2 测量电路 信号特点：输出阻抗高，信号弱 前置放大器： 1、作用： 阻抗匹配，防止电荷迅速泄露 放大微弱信号 2、两种形式： 电压放大器，电荷放大器 1、电压放大电路 2. 电荷放大器 电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器。压电传感器与电荷放大器连接的等效电路如图5.13所示。 当放大器开环增益k和输入电阻Ri、反馈电阻Rf相当大,视为开路时,放大器的输出电压Usc正比于输入电荷q。由图5.13可见  Usc =-kUsr 因为 察上式,可以发现： 电荷放大器的Usc与q成正比；电荷放大器的Usc与电缆电容Cc无关。 在电荷放大器的实际电路中,考虑到被测物理量的大小,以及后级放大器不致因输入信号太大而饱和,采用可变Cf（选择范围一般在100～10000pF之间）,以便改变前置级输出的大小。另外,考虑到电容负反馈支路在直流工作时相当于开路,对电缆噪声比较敏感,放大器零漂较大,因此,为了提高放大器的工作稳定性,一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf（约1010～1014Ω）,以提供直流反馈。 电荷放大器的时常数RfCf很大（105 s以上）,下限载止频率 低达3×10-6Hz,上限频率可高达100kHz,输入阻抗大于1012Ω,输出阻抗小于100 Ω。压电传感器配用电荷放大器时,低频响应比配用电压放大器要好得多,可以实现对准静态的物理量进行测量。 5.4 压电传感器及其应用 5.4.1压电传感器中压电片连接 5.4.2：应用 石英晶体微天平 石英晶体微天平的原理： 总 结 作业：p134，2 图5.13 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路 (5.10) 式中,Cf (k+1)为等效到放大器输入端的密勒电容。一般k均很大,则Cf (k+1)(Ca+Cc+Ci)， q′=2q, U′=U, C′=2C q′=q, U′=2U,  U U′ 压电片两种连接的特点及适用范围 膜片式压电压力传感器：输出电量正比于压力 银膜 石英晶体 聚合物 精度：纳克 　 当石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。 谐振频率变化与外加质量成正比的结论 。 石英谐振器 * * 5.1 压电效应 5.2 压电材料 5.3 等效电路和测量电路 5.4 压电传感器及其应用 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 1、石英晶体的结构 ：六棱柱 X轴:电轴： Y轴:机械轴 Z轴:光轴 石英晶体 石英晶体即二氧化硅, 化学式为SiO2； 代表Si 4+, 代表2O2-，成正六边形排列。 + 直接压电效应是由居里兄弟在1880 年发现的。他们指出，当把一重物放在一石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。 机械轴：横向压电效应 电轴：纵向压电效应 光轴： 没有压电效应 1、光轴、电轴、机械轴 光轴：Z轴 电轴：X轴 机械轴：Y轴 与电轴垂直的平面 产生q11 则：q11 =d11F1 其中：d11为压电常数，单位：库仑／牛顿,