二、 压电式传感器压电式传感器是一种可逆型换能器, 既可以将机械能转换为电能, 又可以将电能转换为机械能。 这种性能使它被广泛用于压力、 应力、 加速度测量, 也被用于超声波发射与接收装置。第四节 磁电、 压电与热电式传感器在用做加速度传感器时, 可测频率范围从0.1Hz ~在用做加速度传感器时, 可测频率范围从0.1Hz20kHz, 可测振动加速度按其不同结构可达10-2~ 105 m/s2 。 用做测力传感器时, 其灵敏度可达10-3N 。优点: 体积小、 质量小, 精确度及灵敏度高等。现在与其配套的后续仪器, 如电荷放大器等技术性能的日益提高, 使这种传感器的应用愈来愈广泛。 华中科技大学机械学院测试技术与信号处理1.压电效应 ← 变换原理某些物质, 如石英, 受到外力作用时,不仅几何尺寸会发生变化, 而且内部会被极化, 表面出现电荷, 形成电场; 当外力去掉时,又重新回到原来的状态, 这种现象称为压电效应。压电式传感器压电效应是可逆的, 即将压电晶体置于外电场压电效应是可逆的, 即将压电晶体置于外电场中, 其几何尺寸也会发生变化—逆压电效应实验证明: 压电效应和逆压电效应是线性的, 即晶体表面出现电荷的多少与形变的大小成正比, 当形变改变符号时, 电荷也改变符号; 在外电场作用下, 晶体形变的大小与电场强度成正比, 当电场反向时, 形变也改变符号。 华中科技大学机械学院测试技术与信号处理通常把沿电轴(X 轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应” , 把沿机械轴(Y 轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应” , 沿光轴(Z 轴)方向的作用力不产生压电效应。 沿相对两棱加力时, 则产生切向效应。 压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电效应与方向压电式传感器 华中科技大学机械学院测试技术与信号处理2.压电材料常用的压电材料大致可分为三类:压电单晶、 压电陶瓷和有机压电薄膜。• 石英是压电单晶中最具有代表性的, 应用广泛。 除天然石英外, 还大量应用人造石英。 石英的压电常数不高, 但具有较好的机械强度和时间、 温度稳定性。压电式传感器• 传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。 压电陶瓷制作方便, 成本低, 压电常数比单晶体高得多, 一般比石英高数百倍。 现在的压电元件多数采用压电陶瓷。• 高分子压电薄膜的压电特性并不很好, 但它易于大批量生产, 且具有面积大、 柔软不易破碎等优点, 可用于微压测量和机器人的触觉。 华中科技大学机械学院F金属板测试技术与信号处理3.压电式传感器及其等效电路在压电晶体的两个工作面上进行金属蒸镀, 形成金属膜, 构成两个电极。 如图所示在压电晶体受到外力作用时,在两个极板上将聚积数量相等、极性相反的电荷, 形成了电场。+q=deFδ压电式传感器因此压电传感器可看作是一个电荷发生器, 又是一个电容器,0CA δεε=其电容量为等效电荷源压电式传感器适宜作动态测量。 华中科技大学机械学院测试技术与信号处理实际压电传感器中, 通常用两个或两个以上的压电晶片进行并接或串接使用。