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检测技术 压电式传感器 第3章?应变和力的测量* 测力传感器通常是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、差动变压器式、电容式、压电式、压阻式、压磁式等。 除上面讲的应变式传感器外，下面着重介绍压电式传感器测力原理。 压电效应及压电材料 压电效应 正压电效应：某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。 压电晶体（单晶） 压电陶瓷 （多晶） 高分子压电材料 压电式传感器 工作原理：利用正压电效应，即受力与产生电荷量成正比。 石英晶体的压电效应 （一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形 晶体切片及封装 石英晶体薄片 石英晶体受力 纵向：沿X轴（电轴）方向施加作用力FX时，在与电轴垂直的平面上产生电荷，其大小为： Q = d · Fx 横向：沿Y轴（机械轴）方向施加作用力FY时，在与电轴垂直的平面上产生电荷，其大小为： Q = d · FY 压电效应的物理解释 （二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。 常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。 压电陶瓷的电畴 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴（cou），它有一定的极化方向，从而存在电场。 压电陶瓷的电畴 在压电陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。 当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 高分子压电薄膜及拉制 （三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 压电式传感器的等效电路 压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电压源。 压电传感器也可以等效为一个电荷源。 前置放大器 前置放大器作用 放大作用（放大压电传感器产生的弱信号） 平衡阻抗（提高后续电路阻抗防止电荷流失） 前置放大器类型 电压放大器 电荷放大器 压电式传感器连接方式 并联方式 后续接电荷放大器 串联方式 后续接电压放大器 四通道电荷放大器外形 . 四通道电荷放大器指标 灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz 噪声（最大增益）：折合至输入端小于5μV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电????源：220V/50Hz 控制方式：计算机控制或手动 其他电荷放大器外形 压电式测力传感器 压电式单向测力传感器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.1～0.5mm, 当外力作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型, 利用其纵向压电效应, 通过d11实现力—电转换。 石英晶片的尺寸为φ8×1 mm。该传感器的测力范围为0～50 N, 最小分辨率为0.01, 固有频率为50～60 kHz, 整个传感器重10g。 压电式力传感器 压电式加速度传感器 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, 并用螺栓加以固定。 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质量块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力是加速度的函数, 即：F=m·a 压电式加速度传感器 压电陶瓷传感器测刀具切削力 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时,