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1、大慶石油學(xué)院傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用主講人：康朝海主講人：康朝海山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計壓電加速度計壓電警號壓電警號山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電元件壓電元件機械能電能山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電晶片人人工工合合成成水水晶晶山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院按按特特定定方方向向切切片片ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYXZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYXZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐
2、標系ZYX(a)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZXY(b)ZYX2.2.1壓電晶體山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影(b)(a)+-YXXY+山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+電偶極矩分析山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)： 當晶體不受力時F=0，正負離子分布在六邊形頂角，電偶 極矩， 晶體呈中性； 當晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時，X方向壓縮形變，電偶極矩 在X軸的正方向出現(xiàn)正電荷； 當晶體
3、受沿Y軸方向的應(yīng)力時，Y方向壓縮形變，電偶極矩 在X軸的正方向出現(xiàn)負電荷； 123PPP123123,()0PPPPPP123123,()0PPPPPP山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系: d為壓電系數(shù)在X軸方向施力時,產(chǎn)生電荷大小為: 1為X方向應(yīng)力在Y軸方向施力時,產(chǎn)生電荷大小為: 2為Y方向應(yīng)力壓電系數(shù) d11=d12 為常數(shù) a 、b是晶體切片幾何尺寸(長、厚)QdF111xqd1 22ybqda關(guān)系式山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院對壓電材料特性要求：轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固
4、有振動頻率。電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷諧波器超聲波醫(yī)學(xué)壓電陶瓷壓電陶瓷晶片壓電陶瓷蜂鳴器打火用壓電陶瓷山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2.2.2 壓電陶瓷山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,2 ,22CCUU QQ+_U_+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + +
5、+ + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _電路串聯(lián)電路串聯(lián)2 ,2 ,CC QQ UU+_+_U電路并聯(lián)+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ + + + + + + + + + + 山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院aQUCaSCd等效電容山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院uUKFqQKFquaKKCquaKK C等效電壓源 等效電流源山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電傳感器的測量電路icCCCididRRRRR電壓放大器電荷放大器tsinFFmtsinCFdCFdCqUemee山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院
6、222)(1icemiCCCRRFdU前置放大器輸入端電壓幅值：)(2iceCCCRarctg輸入電壓與作用力間的相位差：前置放大器輸入端電壓：)(1CCRjRjFde時，1)(222iceCCCRicemiCCCFdU理想211)(11)(11iceCCCR)(iceCCCR時間常數(shù)222)(1)(iceiceiiCCCRCCCRUU理想222)(1icemiCCCRRFdU12arctg)(2iceCCCRarctg輸入電壓與作用力間的相位差：211)(1|理想iiUU1)(11iceCCCR)(iceCCCR時間常數(shù)山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院01）（時）（31 , 31211,331理想時）（
7、iiUU0適合測量高頻交變力由運算放大器構(gòu)成的電壓比例放大器ffCqUU02、電荷放大器ficeCACCCAqU)1 (0fCqfCqUK10靈敏度與電纜電容無關(guān))(21cecHCCRf上限ffLCRf21下限山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院可見：l 電荷放大器中，輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，與Q成正比，與Cf成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。l 缺點是電路復(fù)雜，價格昂貴，使用電荷放大器，電纜長度變化影響可忽略，并且允許使用長電纜工作。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院25 壓電傳感器的應(yīng)用壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電式加速度傳感器基座基座殼體殼體彈簧彈簧質(zhì)量塊質(zhì)量塊壓電片壓電片F(xiàn)=ma,F
8、aF=ma,Fa又又qFqFqaqa1、結(jié)構(gòu)：壓電片用高壓電系數(shù)的壓電陶瓷制成。兩個壓電片并聯(lián)。質(zhì)量塊用高比重的金屬塊，對壓電元件施加預(yù)載荷。測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電式流量計壓電式流量計流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況度的變化，測量聲速隨深度的分布情況 利用超聲波在順流
9、方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院mMPa /01. 0山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院25 壓電傳感器的應(yīng)用晶體管聲、光控開關(guān)電路晶體管聲、光控開關(guān)電路山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院25 壓電傳感器的應(yīng)用壓電式玻璃破碎報警器山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院n將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。 粘貼粘貼位置位置使用
10、時，用瞬干膠將使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷電荷Q Q ，在兩個輸出，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。報警信號。山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通監(jiān)測 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。山西
11、工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院高分子壓電電纜的應(yīng)用演示 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。 山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量 山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 壓電效應(yīng) 、壓電材料以及壓電元件 結(jié)構(gòu)形式 ； 壓電傳感器等效電路與測量電路， （1）電壓放大器，（2）電荷放大器； 壓電傳感器的應(yīng)用山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院思考題思考題1.什么是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？2.壓電傳感器能否用于靜態(tài)測量? 3.電荷放大器和電壓放大器有何特點？山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院
傳感器課件第3講 壓電式傳感器
