传感器与检测技术胡向东ch05.pptVIP

1 同学们好 ！ 2 压电器件 受力、表面形变 电荷 3 § 5-1 压电效应和压电材料 一、压电效应 1 、正（顺）压电效应 2 、逆压电效应（电致伸缩） 4 压电介质 正压电效应 Q(E) 电能 T(S) 机械能 逆压电效应 二、压电材料简介 压电常数 弹性常数（刚度） 介电常数 机电耦合系数 电阻 居里点 压电效应强弱：灵敏度 固有频率、动态特性 固有电容、频率下限 机电转换效率 泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度 5 类 别 材 料 成 分 特 性 石英晶体 单晶体、水晶 （人造、 天然） SiO2 d 11 =2.31 × 10 -12 C/N ， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力 700-1000Kg/cm 2 压电陶瓷 人造多晶体 钛酸钡、锆钛酸 钡、铌酸盐系 压电系数高 d 33 =190 × 10 -11 C/N 品种多、性能各异 新 型 压 电 材料 压电半导体 压电特性 半导体特性 集成压电传感器 有机高分子 压电材料 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高 常用压电材料 6 三、石英晶体的压电特性 石英 ? 居里点 573 ℃，六角晶系结构 光轴 电轴 机械轴 x x f d q 11 ? x f y y y f b a d f b a d q 11 12 ? ? ? y f 7 x 轴方向受力：压力 x 轴方向受力：拉力 y 轴方向受力：压力 y 轴方向受力：拉力 8 四、压电陶瓷的压电现象 人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体 电畴 未极化前：不具压电性 撤销外电场 加外电场 E 9 对外不呈极性 加力 F ：放电现象 取消 F ：充电现象 机械能 电能 正压电效应： F d q ? ? 33 10 § 5-2 等效电路和测量电路 一、压电晶片的连接方式 （ 1 ）并联： U U q q C C ? ? ? ? ? ? , 2 , 2 （ 2 ）串联： U U q q C C 2 , , 2 1 ? ? ? ? ? ? 11 二、压电传感器的等效电路 d S C e ? ? 只适宜动态测量 压电晶片： e C Q U ? 压电传感器： 12 压电传感器在实际测量 系统中的等效电路 13 三、压电传感器的测量电路 i c C C C ? ? i d i d R R R R R ? ? ? 前置放大器的作用： （ 1 ）放大 （ 2 ）阻抗转换 电压放大器 电荷放大器 1 、电压放大器 t sin F F m ? ? ? t sin C F d C F d C q U e m e e ? ? ? ? ? ? ? ? 14 ) ( 1 C C R j R j F d e ? ? ? ? ? ? ? ? R C j R C j R C j R C j C j C F d U e e i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 1 1 1 1 1 ? ? 前置放大器输入端电压： 2 2 2 ) ( 1 i c e m i C C C R R F d U ? ? ? ? ? ? ? ? 前置放大器输入端电压幅值： ? ? ) ( 2 i c e C C C R arctg ? ? ? ? ? ? ? 输入电压与作用力间的相位差： 15 时， 1 ) ( 2 2 2 ?? ? ? i c e C C C R ? i c e m i C C C F d U ? ? ? ? 理想 ? 2 1 1 ) ( 1 ? ? ? ? ? ? ? ? 1 ) ( 1 1 ? ? ? ? i c e C C C R ) ( i c e C C C R ? ? ? ? 时间常数 2 2 2 ) ( 1 ) ( i c e i c e i i C C C R C C C R U U ? ? ? ? ? ? ? ? 理想 ? ? 2 2 2 ) ( 1 i c e m i C C C R R F d U ? ? ? ? ? ? ? ? 16 ? ? 1 2 ? ? ? ? arctg ? ? ? ? ) ( 2 i c e C C C R arctg ? ? ? ? ? ? ? 输入电压与作用力间的相位差： 2 1 1 )