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《傳感與測(cè)試技術(shù) 教學(xué)課件 作者 978-7-302-28748-3 第3章-常用傳感器3.3.2電量型—電荷輸出型.ppt》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、常用傳感器傳感器定義、組成及分類(lèi)電參量型傳感器電量型傳感器光電式傳感器光纖傳感器數(shù)字式傳感器2021/9/171電壓輸出型傳感器電荷輸出型傳感器電量型傳感器測(cè)量電路電量型傳感器2021/9/172電荷輸出型傳感器被測(cè)量變化能引起傳感器輸出電荷或電流變化的傳感器統(tǒng)稱(chēng)為電荷輸出型傳感器。電荷輸出型傳感器直接輸出的是電量，后續(xù)測(cè)量電路只需電荷放大器或電壓放大器即可。在此將重點(diǎn)介紹典型的電荷輸出性傳感器——壓電式傳感器。2021/9/173壓電式傳感器(PiezoelectricSensor)是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。能實(shí)現(xiàn)機(jī)
2、械能和電能的相互轉(zhuǎn)換，是典型的雙向能量轉(zhuǎn)換型傳感器，故又稱(chēng)為自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。應(yīng)用其正壓電效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)壓力等非電量的電測(cè)量，輸出電荷量，是典型的電量型傳感器；應(yīng)用其逆壓電效應(yīng)，可制成力發(fā)生器、位移驅(qū)動(dòng)器等。壓電式傳感器2021/9/174壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力撤消后，物體又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象成為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性隨之改變，把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效應(yīng)。壓電式傳感器FF極化面圖3.57正壓電效應(yīng)原理圖20
3、21/9/175壓電效應(yīng)壓電式傳感器三效應(yīng)：橫向效應(yīng)：沿y軸加力切向效應(yīng)：垂直z軸方向形成力矩。縱向效應(yīng)橫向效應(yīng)切向效應(yīng)石英晶體的三軸：X軸—電軸。在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。Z軸—光軸，也稱(chēng)中性軸。光線(xiàn)沿該軸通過(guò)石英晶體時(shí)，無(wú)折射，沿該軸方向上沒(méi)有壓電效應(yīng)。Y軸—機(jī)械軸。在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯。縱向效應(yīng)：沿x軸加力2021/9/176壓電效應(yīng)壓電式傳感器逆壓電效應(yīng)(Reversepiezoelectriceffect)：由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物體的機(jī)械變形現(xiàn)象，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，又稱(chēng)電致伸縮效應(yīng)。具有壓電性的電介質(zhì)（壓電
4、材料），能實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量的相互轉(zhuǎn)換。2021/9/177壓電材料壓電材料的主要性能參數(shù)：壓電常數(shù)(piezoelectricityconstant)：衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。彈性常數(shù)(elasticityconstant)：材料的彈性常數(shù)（剛度）決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。介電常數(shù)(dielectricconstant)：固有電容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。機(jī)電耦合系數(shù)(machine-electricalcouplingcoefficient)：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出的能
5、量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根。它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。電阻(resistance)：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。居里點(diǎn)(curiepoint)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電性的溫度。壓電式傳感器2021/9/178壓電材料壓電材料的分類(lèi)：壓電晶體(piezoelectriccrystal)、壓電陶瓷(piezoelectricceramics)、新型壓電材料。石英晶體（quartz，SiO2）具有壓電性的單晶體統(tǒng)稱(chēng)為壓電晶體。單晶材料的壓電效應(yīng)是由于這些單晶受外應(yīng)力時(shí)
6、內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)變形，是原來(lái)宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)被破壞而產(chǎn)生電極化。石英晶體是典型而常用的壓電晶體。主要性能特點(diǎn)：壓電常數(shù)小，其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好;機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)高，剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好;居里點(diǎn)573℃，無(wú)熱釋電性，且絕緣性好、重復(fù)性均好。壓電式傳感器2021/9/179壓電材料石英陶瓷(piezoelectricceramics)壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成；所謂“鐵電體”，它具有類(lèi)似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，致使原始的壓
7、電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。要使之具有壓電性，必須作極化處理。極化處理（polarization）：在一定溫度下對(duì)材料施加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使“電籌”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列；極化電場(chǎng)去除后，趨向電籌基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)壓電性。壓電式傳感器2021/9/1710壓電材料石英陶瓷(piezoelectricceramics)主要性能特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟，成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用；具有熱釋電性。新型壓電材料新型壓電材料常見(jiàn)的有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料。壓電半導(dǎo)體（piezoele
8、ctricsemiconductor）：其顯著特點(diǎn)是：既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性。有機(jī)高分子壓電材料：合成高分子聚合物（質(zhì)輕柔軟，抗拉強(qiáng)度較高，蠕變小，耐沖擊，熱釋電性和穩(wěn)定相較好，便于
