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压电传感器的工作原理优秀课件

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《压电式传感器》课件

《压电式传感器》课件

汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后

压电式传感器优秀课件

压电式传感器优秀课件

Y
l
b
PXX与应力σXX成正比，即
石英晶体切片
PXXd11 XXd11F lX b
PXXd11 XXd11F lX b
t
Z
式中 FX——X轴方向的压力大小；
X
d11——压电系数，又称机电耦合系数
Y
石英晶体d11=2.3×10-12C N-1；
l、b——石英晶片的长度和宽度。
PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即
压电式传感器
5.1 压电效应
第5章 压电式传感器
正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力
而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一
定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带
电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随
着改变。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
等于零，即 P1＋P2＋P3＝0
P2
-
+
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产 生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此
时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为
(P1+P2+P3)X>0
在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一 定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它 们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零， 见图（a）。
一、石英晶体压电效应
在晶体学中，可以把将 其用三根互相垂直的轴 表示，其中： 纵轴Z称为光轴； 通过六棱线而垂直于光

传感器原理与应用压电传感器ppt课件

传感器原理与应用压电传感器ppt课件
压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将产生电荷，因此它相当 于一个电荷源。当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为
介质的电容器，两电极板间的电容Ca为
Ca
r0 A
式中
A——压电元件电极面积；
——压电元件厚度； r——压电材料的相对介电常数； 0——真空介电常数。
压电元件的等效电路
第一节 压电传感器的概述
压电式传感器的特点：
是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压 电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产 生电荷，从而实现电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终 能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动 态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的 测量。
压电效应
压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。 光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离， 所以不会产生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电
荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电 容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。
现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属 于Q/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。
第三节 压电传感器的测量转换电路
压电元件的极间电容
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性 能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无 铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。

传感器第4章压电式ppt课件(共79张PPT)

传感器第4章压电式ppt课件(共79张PPT)

第4章 压电式传感器
分析可见： （1〕压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴，经 极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用 （力或电场〕下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。 （2〕陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，陶瓷 中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化， 引起电极上的自由电荷的释放或补充的结果。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
第4章 压电式传感器
1) 压电陶瓷的正压电效应 2) 如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片 3) 产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
4) 极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面
5) 电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 6) 当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚 7) 电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。 8) 这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换
变形与电场之间的关系为
产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，
电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。
此时正负电荷重心不再重合。
（1〕极性也随之改变。
第4章
压电式传感器
✓当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P1增大, P3、P2 减小。 ✓在垂直x轴表面上出现电荷, 它的 极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方 向上不出现电荷。
量电荷，但极性相反。
3〕在同一晶片上沿y轴方向作用力，其电荷仍在与x轴垂直的平面 上出现。
tb
第4章 压电式传感器 c a
由上述可知： 1)无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力〔或应变〕与电荷 〔或电场强度〕之间成线性关系； 2〕晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆 压电效应。

传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT

传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT

§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的 面的轴向及施加作用力的轴向；a、b、c—石
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚 电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极 化的电畴，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y

压电式传感器原理及应用ppt课件

压电式传感器原理及应用ppt课件
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Qd33F
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精选ppt
Q —— 电荷量； d33 —— 压电陶瓷的压电系数；
F —— 作用力。
精选ppt
常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。
（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的
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精选ppt
（1）电压放大器
Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容
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R Ra Ri Ra Ri
CC aC cCi
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精选ppt
前置放大器输入电压
Ui
i 1
R
jRC
压电元件的力 F=Fmsinωt 压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11·F。
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精选ppt
2. 压电式传感器的信号调节电路
压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数 值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然 后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用:
– 把压电式传感器的微弱信号放大； – 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
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精选ppt
逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压， 那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方 向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为 “电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。 (施加电场 电介质产生变形 应力 ) 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。

第五章压电式传感器《传感器原理及应用》课件(共45张PPT)

晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶 体的形变(xíngbiàn)与图〔b〕相似；当FY＜0时，那么与图〔c〕 相似。由此可见，晶体在Y〔即机械轴〕方向的力FY作用下，使 它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向那么不产生压电效应。
第十一页，共45页。
XF X ＋＋＋＋
XF X －－－－
压电效应〞，而把沿机械轴
Y
Y－Y方向的力作用 (zuòyòng)下产生电荷的压
Y
X
电效应称为“横向压电效应 X
〞，沿光轴Z－Z方向受力那
(a)
(b)
么不产生压电效应。
石英(shíyīng)晶体 (a)理想石英(shíyīng)晶体的外形 (b)坐标系
第六页，共45页。
压电电荷(diànhè)符号与受力方向
电为C荷a，中εdA间为绝εrεd缘0A体的电电(容dià极器nj ，如图(b)。其电容量
当两极板聚集异性电荷时， í)
q
那么两极板呈现一定的电压，
＋＋＋＋ q
Ca
其大小为
――――
压电晶体
Ua
q Ca
(jīngtǐ)
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
第二十一页，共45页。
Ca
因此，压电传感器可等效为电 压源Ua和一个电容器Ca的串联
第十二页，共45页。
理解：纵向(zònɡ xiànɡ)压电效应 与 横向压电效应
第十三页，共45页。
假设从晶体上沿 yoz 方向(fāngxiàng)切下一块如图 所示晶片, 当 在电轴方向(fāngxiàng)施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11 ——x方向(fāngxiàng)受力的压电系数; Fx——作用力。

压电式传感器 ppt课件

• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应

压电传感器的工作原理

压电传感器的工作原理
压电传感器是基于压电效应工作的传感器。

压电效应是指某些晶体材料在受到力的作用下会发生电荷的累积和分离现象。

当压力施加在压电材料上时，晶体内部的离子会发生位移，导致电荷的分离，形成正负电荷。

这种电荷的分离会产生一个电位差，在外加电路的作用下，就可以测量到这个电位差，从而得知施加在传感器上的压力大小。

压电传感器通常由压电材料和电极组成。

压电材料可以是晶体、陶瓷等，其晶格结构的不对称性决定了其具有压电效应。

电极用于连接外部电路，充当电流载体。

当施加压力时，压电材料内部离子发生移动，正负电荷分离，形成电位差。

电位差被电极收集，并通过电路输出为电信号。

压电传感器具有高精度、高灵敏度和快速响应的特点。

它可以测量不同范围的压力，并广泛应用于工业控制、机械设备、医疗仪器等领域。

压电式传感器介绍课件


压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
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灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
24.10.2020
21
超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
24.10.2020
4
二、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有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
24.10.2020
5
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
24.10.2020
6
天然形成的石英晶体外形（续）
24.10.2020
10
压电陶瓷外形
24.10.2020
11
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
24.10.2020
12
高分子压电薄膜及拉制
24.10.2020
13
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
24.10.2020
7
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
24.10.2020
双面镀银并封装
8
石英晶体振荡器（晶振）
晶振ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
24.10.2020
石英晶体在振荡电
路中工作时，压电效应
与逆压电效应交替作用，
从而产生稳定的振荡输
出频率。
9
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
特点：可组成经济的多点测试系统
24.10.2020
22
其他电荷放大器外形
面板式电荷放大器
24.10.2020
23
其他电荷放大器外形（续）
24.10.2020
24
本章作业 p108：2、3、5
24.10.2020
25
压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、 可靠性、稳定性高。
24.10.2020
2
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到 压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷 Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效 应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。
压电传感器的工作原 理优秀课件
24.10.2020
1
第一节 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。它以某 些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介 质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能 变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、 振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。
和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响
很小：
uo
Q Cf
6-4
电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转 换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的 作用，只是一种习惯叫法。
24.10.2020
19
四通道电荷放大器外形
.
24.10.2020
20
上图所示的四通道电荷放大器指标
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电 致伸缩效应）。
24.10.2020
3
石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
24.10.2020
14
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
24.10.2020
15
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
24.10.2020
16
压电式脚踏报警器
24.10.2020
17
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
24.10.2020
18
第二节 压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷