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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,*,第五章 壓電式傳感器,壓電器件,受力、表面形變,電荷,1,5-1,壓電效應(yīng)和壓電材料,一、壓電效應(yīng),1,、正（順）壓電效應(yīng),2,、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）,2,壓電介質(zhì),正壓電效應(yīng),Q(E),電能,T(S),機(jī)械能,逆壓電效應(yīng),二、壓電材料簡介,壓電常數(shù),彈性常數(shù)（剛度）,介電常數(shù),機(jī)電耦合系數(shù),電阻,居里點,壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度,固有頻率、動態(tài)特性,固有電容、頻率下限,機(jī)電轉(zhuǎn)換效率,泄漏電荷、改善低頻特性,喪失壓電性的溫度,3,常用壓電材料,4,三、石英晶體的壓電特性,居里點,573,，六角晶系結(jié)
2、構(gòu),光軸,電軸,機(jī)械軸,5,現(xiàn)象：,沿電軸,x,方向施力，在,x,軸表面產(chǎn)生電荷,縱向壓電效應(yīng)；,沿力軸,y,方向施力，也在,x,軸表面產(chǎn)生電荷,橫向壓電效應(yīng)；,沿光軸,z,方向施力，表面不產(chǎn)生電荷；,若改變受力方向，表面極性也相應(yīng)改變；,分別使,x,、,y,方向都受壓或受拉，極性也相反。,6,x,軸方向受力：壓力,x,軸方向受力：拉力,y,軸方向受力：壓力,y,軸方向受力：拉力,7,原因：,（,a,）,正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。,（,b,）在,X,軸方向壓縮，表面,A,上呈現(xiàn)負(fù)電荷、,B,表面呈現(xiàn)正電荷。,（,c,）沿,Y,軸方向壓縮，在,A,和,B,表面上分別呈現(xiàn)正電荷和
3、負(fù)電荷,8,四、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象,人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體,電疇,未極化前：不具壓電性,撤銷外電場,加外電場,E,9,對外不呈極性,加力,F,：,放電現(xiàn)象,取消,F,：,充電現(xiàn)象,機(jī)械能 電能,正壓電效應(yīng)：,10,5-2,等效電路和測量電路,一、壓電晶片的連接方式,1,）并聯(lián)：用于電荷作為輸出量場合，有利于準(zhǔn)靜態(tài)測量。,U=U Q=2Q,則,C=2C,2,）串聯(lián)：用于電壓作為輸出量場合。,U=2U Q=Q,則,C=,（,1/2,）,C,這種聯(lián)接，輸出電荷大，本身電容大，允許被測對象變化頻率稍低。,這種聯(lián)接，輸出電壓大，本身電容小，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。,11,二、壓電
4、傳感器的等效電路,只適宜動態(tài)測量,壓電晶片：,壓電傳感器：,12,壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效電路,13,阻抗變換作用：高阻抗,低阻抗,放大傳感器的微弱信號,電壓放大器,高內(nèi)阻的電壓源轉(zhuǎn)換成低內(nèi)阻的電壓源,(,阻抗變換器,),輸出電壓輸入電壓,電荷放大器,高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換成低內(nèi)阻的電壓源,輸出電壓輸入電荷,前置放大器的作用,前置放大器,壓電傳感器,一般儀器,前置放大器,輸出阻抗很高,輸出阻抗適當(dāng)降低,三、壓電傳感器的測量電路,14,1,、電壓放大器,15,前置放大器輸入端電壓：,前置放大器輸入端電壓幅值：,輸入電壓與作用力間的相位差：,16,時間常數(shù),17,輸入電壓與作用力間的相位差：,
5、時間常數(shù),18,討論：,適合測量高頻交變力,由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比例放大器,與電纜電容有關(guān),19,2,、電荷放大器,靈敏度,與電纜電容無關(guān),上限,下限,20,5-3,壓電傳感器的應(yīng)用,例,1,：壓電式測力傳感器,壓電式三向力傳感器,21,例,2,：壓電式壓力傳感器,注意：上蓋與石英晶體間應(yīng)有一定的預(yù)壓力。,22,例,3,：壓電引信,壓電陶瓷：彈丸起爆裝置,破甲彈,23,例,4,：火炮堂內(nèi)壓力測試,發(fā)射藥在堂內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。,堂內(nèi)壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設(shè)計有著密切關(guān)系。,24,例,5,：壓電式加速度傳感器,重塊質(zhì)量,加速度,25,測量過程演示,2
6、6,例,6,：沖擊試驗臺的標(biāo)定和檢測,產(chǎn)品過載沖擊試驗,跌落高度,h,被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊,加速度,產(chǎn)品,27,例,7,：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,28,例,8,：氣體發(fā)生器輸出特性測試,密封容器壓力測試法,29,例,9,：振動測量儀,加速度,160,ug,10 g,速度,0.4 80 cm/s,振幅,4 um 8 cm,轉(zhuǎn)換開關(guān),S,A：,V：,D：,積分：振動速度、幅值,30,例,10,：壓電式血壓傳感器,例,11,：指套式電子血壓計,31,32,例,12,：水深測量儀,33,其它應(yīng)用,34,由于壓電陶瓷元件的自振頻率
7、高,特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方,當(dāng)進(jìn)行切削加工時,切削力通過刀具傳給壓電傳感器,壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出,記錄下電信號的變化便測得切削力的變化。,35,它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。,36,37,逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用,38,用于結(jié)冰狀況監(jiān)測的冰傳感器,結(jié)冰現(xiàn)象的危害：,鐵路電力機(jī)車接觸網(wǎng)導(dǎo)線上結(jié)冰影響機(jī)車正常行駛、,冷庫物資防冰、飛機(jī)安全飛行,結(jié)冰狀況監(jiān)測：是否結(jié)冰、冰層厚度,基于壓電效應(yīng)的冰傳感器原理：,三電極片式壓電器件：,39,電極,1,、,2,間加交變電壓：,壓電晶體機(jī)械振動，系統(tǒng),的諧振頻率：,等效剛度,等效質(zhì)量,冰層檢測原理：,極板,1,上無附加物：以自身的諧振頻率作機(jī)械振動；,極板,1,上有冰凍：冰層增加系統(tǒng)剛度，諧振頻率增大；,冰層越厚：剛度增加越大，諧振頻率越大。,三電極壓電元件：,T,型,LC,三端元件，構(gòu)成振蕩電路。,40,1,、“基于壓電器件的冰傳感器”，,儀表技術(shù)與傳感,器,，,2001,年,9,期,參考文獻(xiàn)：,2,、“壓電式振動給料器的研制”，,傳感器技術(shù),，,2001,年,4,期,41,總結(jié),原始,輸入量,變換,原理,物理,現(xiàn)象,能量,關(guān)系,輸出量,力,壓電,效應(yīng),物性型,轉(zhuǎn)換型,電荷,42,
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