自动检测技术与应用第六章
59页1、 2015/12/6 Sunday 1 本章学习本章学习压电传感器压电传感器 的原的原理理、应用及应用及振动频谱分析振动频谱分析。 第六章第六章 压电传感器压电传感器 2015/12/6 Sunday 2 第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器压电式传感器是一种自发电式传感器。 它以某些电介质的它以某些电介质的压电效应压电效应为基础为基础,在外力作在外力作 用下用下,在电介质表面产生电荷在电介质表面产生电荷,从而实现非电从而实现非电 量电测的目的量电测的目的。 压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件,它可以测量它可以测量 最终能变换为力的那些非电物理量最终能变换为力的那些非电物理量,例如例如动态动态 力力、动态压力动态压力、振动加速度振动加速度等等,但但不能用于静不能用于静 态参数的测量态参数的测量。 一一、压电效应压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到当晶体薄片受到 压力时压力时,晶格产生变形晶格产生变形,表面
2、产生正电荷表面产生正电荷,电荷电荷 Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比 ,这种现象称为压电效这种现象称为压电效应应 。还有一些人造的材料也具有压电效应还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上若在电介质的极化方向上施加交变电压施加交变电压,它它 就会就会产生机械变形产生机械变形。当去掉外加电场时当去掉外加电场时,电介质电介质 的变形随之消失的变形随之消失,这种现象称为这种现象称为逆压电效应逆压电效应(电电 致伸缩效应致伸缩效应)。)。 石英晶石英晶体的压电体的压电效应演示效应演示 当力的方向改变时当力的方向改变时,电荷的极性随之改电荷的极性随之改 变变,输出电压的频率与动态力的频率相同输出电压的频率与动态力的频率相同;当当 动态力变为静态力时动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而电荷将由于表面漏电而 很快泄漏很快泄漏、消失消失。 2015/12/6 Sunday 5 二二、压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般压电传感器中的压电元件材料一般有三类有三类: 一类是一类是压电晶体压电晶体(如上述的石如上述的石英晶体英晶体);); 另
3、一类是另一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷;第三类是第三类是高分子压电材料高分子压电材料。 2015/12/6 Sunday 6 (一一)石英晶体石英晶体 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形 2015/12/6 Sunday 7 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形(续续) 2015/12/6 Sunday 8 石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装 石英晶体薄片石英晶体薄片 双面镀银并封装双面镀银并封装 2015/12/6 Sunday 9 石英晶体振荡器石英晶体振荡器(晶振晶振) 石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电 路中工作时路中工作时,压电效应压电效应 与逆压电效应交替作与逆压电效应交替作 用用,从而产生稳定的振从而产生稳定的振 荡输出频率荡输出频率。 晶振晶振 2015/12/6 Sunday 10 (二二)压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多,而制造而制造成本却较低成本却较低,因此目前国内外生产的压电元因此目前国内外生产的压电元件绝大多
4、数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶常用的压电陶 瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 (如如BaTiO3等等)。 2015/12/6 Sunday 11 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 2015/12/6 Sunday 12 无铅压电陶瓷及其换能器无铅压电陶瓷及其换能器外形外形 (上海硅酸盐研究所研制上海硅酸盐研究所研制) 2015/12/6 Sunday 13 高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 2015/12/6 Sunday 14 (三三)高分子压电材料高分子压电材料 典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯 (PVF2或或PVDF)、聚氟乙烯聚氟乙烯(PVF)、)、改性聚改性聚氯乙烯氯乙烯(PVC)等等。它是一种柔软的压电材料它是一种柔软的压电材料,可根据需要制成可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状等形状。它不易它不易破碎破碎,具有防水性具有防水性,可以大量连续拉制可以大量连续拉制,制成较制成较大面积或较长的尺度大面积或较长的尺度,价格便宜价格便宜,频率响
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