2016传感器及应用（理工版）授课教案：压电式传感器.docVIP

传感器及应用（理工版）授课教案 第２７、２８课时 教学内容： 　2.7 压电式传感器 教学目标： 　熟悉压电式传感器的概念及工作原理。 　掌握压电式传感器的结构及转换电路。 　知道压电式传感器的主要应用。 教学重、难点： 　传感器的结构、工作原理、主要应用 教学方法： 　讲授、多媒体、图表 教学过程： 一、压电式传感器 压电式传感器是将被测量变化转换成材料受机械力产生静电电荷或电压变化的传感器。它是一种典型的、有源的、双向机电能量转换型传感器。 压电式传感器具有‘使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞跃发展，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，使压电式传感器在工程力学、各种动态力、机械冲击与振动测量、生物医学、电声学、宇航等许多技术领域获得广泛的应用。 二、压电式传感器的工作原理 1.压电效应 压电效应是一种机械能与电能之间的藕合效应。压电效应是可逆的，即有两种压电效应:正压电效应和逆压电效应。 2.压电材料 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。常见的压电材料有单晶和多晶两种，前者以石英晶体为代表还有水溶式压晶体、妮酸铿晶体;后者以错钦酸铅压电陶瓷为代表，还有妮美酸铅压电陶瓷、钦酸钡压电陶瓷等。 ３.压电传感器的等效电路 三、压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出信号非常微弱，电缆的分布电容及噪声将严重影响其输出特性，因此需将电信号放大后才能检测出来;由于其内阻抗很高，所以需要压电器件的负载电阻必须具有极高的值。因此与压电元件配套使用的测量电路，其前置放大器必须有两个作用:信号放大和阻抗匹配。 由于压电元件既可看作电压源，又可看作电荷源，所以前置放大器有两种:电压放大器和电荷放大器。它们的共同作用都是将压电元件输出的微弱信号放大，将压电元件的高阻抗转换为低阻抗输出。由于线性集成运算放大器的飞速发展，出现了一些输入阻抗很高的器件，因而由集成运算放大器构成的电荷放大器便有了良好的基础和发展前景。故目前多采用电荷放大器。电荷放大器实际上是一个具有‘深度电容负反馈的高增益放大器。电荷放大器的原理如图2-50所示。 四、压电式传感器的应用 1.压电式加速度传感器 图2-51是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。 2.压电式声传感器 图2-52是压电陶瓷换能器结构图。 当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。 课堂小结： 　概念　原理　结构　转换电路　应用 课后作业： 　１压电式传感器的工作原理是什么？ 　２压电式传感器的结构由哪几部分组成？ 　３压电式感器的转换电路的测量方法？ 　４压电式传感器的主要应用有哪几方面？ 教学反思： 　　基本能正确分析电路原理，了解其结构，熟悉其应用及特点。 2