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《传感器与检测技术》教案项目五压电式传感器的应用一、教学目标1.了解压电效应。
2.了解压电传感器的所用的压电材料。
3.掌握压电传感器的工作原理。
4.掌握压电传感器测量振动的方法。
二、课时分配本项目共1个任务，本项目安排2课时。
其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点通过本项目的学习，让学生能识别压电传感器能根据任务要求，正确安装压电传感器，正确完成压电传感器测量振动的电路接线，并且正确测量振动参数并且读数正确。
四、教学难点1.掌握压电传感器的工作原理。
2.掌握压电传感器测量振动的方法。
五、教学内容任务一压电传感器在振动测量中的应用知识链接一、压电效应当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
能产生压电效应的电解质被称为压电材料或者压电元件，依据压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。
原理图如图所示。
压电效应原理图在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q和所施的力F之间的关系是：Q=dF式中：d—压电材料的压电系数。
正压电效应的应用正压电效应的应用利用逆压电效应原理工作的设备也很多，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会在被按压时发出逼真有趣的蜂鸣声，如果将高频电信号加在压电元件上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号，利用该原理可以制造麦克风、立体声耳机和高频扬声器等，还应用于制造超声波探头。
逆压电效应的应用二、压电材料1.石英晶体压电晶体一般指压电单晶体，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
水晶（）是一种有名的压电晶体，它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。
石英晶体它是二氧化硅的单晶体。
石英等压电单晶压电系数很小（），介电常数很低，但稳定性很高，在20℃～200℃的范围内压电常数的变化率只有-0.000 1/℃，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
压电陶瓷材料应变测试方法引言：压电陶瓷材料是一类具有压电效应的特殊材料，其在受到外力作用时能够产生电荷分离现象，从而产生应变。
为了准确测量压电陶瓷材料的应变，科学家们开发了多种测试方法。
本文将介绍几种常用的压电陶瓷材料应变测试方法。
一、电容法电容法是一种常用的测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用压电陶瓷材料在受到外力作用时产生的应变改变其电容值的特性。
具体操作时，将压电陶瓷材料制成电容器的一部分，通过测量电容器的电容值的变化来间接测量应变的大小。
这种方法简单易行，且测量结果较为准确。
二、光栅法光栅法是一种基于光学原理的压电陶瓷材料应变测试方法。
该方法利用光栅的干涉效应来测量压电陶瓷材料的应变。
具体操作时，将光栅固定在压电陶瓷材料表面，当材料受到外力作用时，会引起光栅的形变，从而改变光栅的干涉条纹。
通过测量干涉条纹的变化来确定应变的大小。
光栅法具有高精度和非接触性的特点，适用于对压电陶瓷材料应变进行精确测量的场合。
三、应变片法应变片法是一种常用的直接测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用应变片的特性来测量材料的应变。
具体操作时，将应变片粘贴在压电陶瓷材料的表面，当材料受到外力作用时，应变片会发生形变，通过测量应变片上的应变值来确定压电陶瓷材料的应变大小。
应变片法操作简单，测量结果较为准确，广泛应用于工程实践中。
四、声发射法声发射法是一种利用声波传播特性来测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法通过监测材料在受到外力作用时产生的声波信号来间接测量应变的大小。
具体操作时，将传感器放置在压电陶瓷材料附近，当材料受到外力作用时，会产生应变，从而引起声波信号的发射。
通过分析声波信号的特征来确定应变的大小。
声发射法具有非接触性和实时性的特点，适用于对压电陶瓷材料应变进行在线监测的场合。
结论：压电陶瓷材料应变测试方法多种多样，每种方法都有其适用的场合和特点。
在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的测试方法。
电容法、光栅法、应变片法和声发射法是常用的几种方法，它们在测量精度、操作简便性和适用范围等方面各有优劣。
图6-1 工业用铂热电阻体的结构图6-2 铜热电阻体结构图6-5 热电偶回路常用的热电偶由两根不同的导线组成，它们的一端焊接在一起，为工作端，测温时将它置于温度场中；不连接的两个称为自由端（或称为冷端）T0的导线相连接。
当热端与冷端有温差时检测仪表便能测出被测温度。
根据金属的热电效应，任意两种不同的金属导体都可以作为热电偶回路的电极，但在实10306。
6-6 热电偶的结构图6-7 普通热电偶安装形式）铠装热电偶铠装热电偶又称为缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料（通常为电熔氧化镁）和金属保护管三者经拉伸结合而成的。
铠装热电偶有单支（双芯）和双支（四芯）之分，其检测端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式，如图6-8所示。
图6-8 铠装热电偶检测端的结构形式薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法，把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。
采用蒸镀工艺，热电偶可以做得很薄，图6-9薄膜热电偶结构尺寸可做得很小。
它的特点是热容量小，响应速度快，特别适用于检测瞬变的表面温度和微小面积上的温图6-9 薄膜热电偶结构热电偶冷端的温度补偿将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温器内，使冷端温度保持图6-11 热释电红外传感器的结构及内部电路3.量子型红外传感器PbS 红外光敏元件的结构如图6-12所示。
其主要是由PbS 光敏元件、电极、玻璃基极、引脚等组成。
先在玻璃基极上制成金电极，然后蒸镀PbS薄膜，再引出电极线。
为了防止光敏元件被氧化，将PbS 光敏元件封入真空容器中，并用玻璃或蓝宝石做光窗口。
当光照射PbS 光敏元件上时，电极两端产生光生电动势，此电动势的大小与光照强度成比例。
6-12 PbS 红外光敏元件的结构6-13 所示。
其由光学系统、调制器、红外传感器、放大器、显示器等部分组成。
光学系统是采用透射式的，是根据红外波长的范围而选择的光学材料制成的。
调制器是由调制盘、微电机等组成。
图6-13 红外测温仪的结构原理通过红外测温仪，可以知道物体表面的平均温度，但要了解物体的温度分部情况，探测物体内部的结构等情况，就需要把物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来，即红外成像。
第4章压电式传感器一、填空题1.压电元件一般有三类：第一类是石英晶体；第二类是压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
2.压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
3.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的压电效应；蜂鸣器中发出“嘀…嘀…”声的压电片发声原理是利用压电材料的逆压电效应。
4.在实验室作检验标准用的压电仪表应采用sio2压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用PVDF。
5.使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量动态的力或压力。
6.动态力传感器中，两片压电片多采用并联接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用串联接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。
7.用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了逆压电效应原理。
二、综合题1.简述压电式加速度传感器的结构及原理。
压电式加速度传感器一般由壳体及装在壳体内的弹簧、质量块、压电元件和固定安装的基座组成。
压电元件一般由两片压电片组成，并在压电片的两个表面镀银，输出端由银层或两片银层之间所夹的金属块上引出，输出端的另一根引线就直接和传感器的基座相连。
在压电片上放置一个质量块，然后用硬弹簧对质量块预加载荷，然后将整个组件装在一个基座的金属壳体内。
为了隔离基座的应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，增加传感器的抗干扰能力，基座一般要加厚或者采用刚度较大的材料制造。
使用时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，当其感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。
因此可以认为质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用，这样，质量块就有一个正比于加速度的作用力作用在压电片上。
通过压电片的压电效应，在压电片的表面上就会产生随振动加速度变化的电压，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出的电压与作用力成正比，即与传感器感受到的加速度成正比。
第五章压电式传感器第一节压电式传感器的工作原理压电式传感器以某些电介质（如石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。
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。
因此是一种典型的自发电式传感器。
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。
一压电效应压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。
那么，什么是压电效应呢？由物理学知，一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q（如图5-1(a)所示），且Q与外应力张量T成正比：Q （5-1）dT式中，d——压电常数(a)正压电效应； (b)压电效应的可逆性图5-1 压电效应原理图当外力消失后，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
如果在这些电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。
其应变S 与外电场强度E 成正比：E d S t （5-2）式中d t ——逆压电常数。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
可见，具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机电能量的相互转换，如图5-1(b)所示。
二 压电材料目前压电材料可分为三大类：第一类是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；第二类是压电陶瓷（多晶半导瓷）； 第三类是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。
1.传感器定义：以一定精度把某种被测量按照一定规律转换成另一参量的器件或者测量装置。
实物测量装置由敏感器件和转换器件和基本转换电路组成2.计量：用精度等级更高的标准量具、器具对被测样品进行考核性质的测量。
非实时、离线、标定检测：在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。
3.检测技术作用：（1）城市生活污水处理（2）新型武器和设备的研制与测试（3）先进医疗检测仪（4）生活中化学成分检测（5）防火防盗及家用电器安全监测4.检测系统组成：稳压电源+输入设备+传感器+信号调理+数据采集+信号处理+信号显示+信号输出信号调理：对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。
组成：滤波、放大、线性化、要求：能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号信号处理：进行数据处理和各种控制的中枢环节。
组成：嵌入式微控制器、DSP专用高速数据处理器、大规模集成电路5.检测系统分类：（1）按被测量（电工量、热工量、机械量、光学量、状态量）（2）被测量的检测转换方法（电磁转换、光电转换、其他能/电转换）（3）使用性质（实验室表、工业用表、标准表）6.传感器分类：（1）按输入参量（位移传感器，压力传感器）（2）按转换机理（电阻式、电容式、压电式、超声波式）（3）按物理现象（结构型、物性型）（4）按能量关系（能量转换——自源型、带激励源型、能量控制——外源型）（5）按输出信号（模拟式、数字式）7.检测系统发展：（1）不断拓展测量范围、努力提高检测精度和可靠性；（2）重视非接触式检测技术研究；（3）模拟式，数字式，向智能化发展8.传感器发展：（1）研发新型传感器（2）采用新技术提高现有传感器的性能（3）微型化，智能化，集成化9.测量单位、测量仪器与设备是测量的“三要素”。
CHAPTER2检测知识1.量：物体和物质可以定性区别和定量确定的一种属性。
量值：由一个数和一个计量单位表示的量。
