06章

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第6章 压电式传感器
§6-1 压电效应
教学目的、要求:必须掌握压电效应和逆压电效应的定义。了解石英晶体、压电陶瓷和高分
子材料的压电效应。

重点、难点:压电效应和逆压电效应概念的理解。
主要内容:压电效应的基本概念,以石英晶体为例进行说明压电效应的产生过程。
思考及作业:
①什么是压电效应?
② 压电效应的特点是什么?

教学设计:举出有关压电效应的应用实例,给学生预留5-8分钟时间讨论。通过学生思考,
讨论,锻炼学生的知识组织能力,与人交流的能力,开发思维能力,引导他们逐步学会解决
实际问题的能力。最后老师进行总结,引出压电效应的概念。

教学方式方法:采用启发式教学引出压电效应和逆压电效应的概念。

§6-2 压电材料
教学目的、要求:了解压电材料的选择基本要求以及对压电材料的性能能进行基本分析。
重点、难点:压电材料的性能分析
主要内容:压电材料的选择以及压电材料的性能分析
思考及作业:
几种常见的压电材料的性能对比

教学设计:简单讲述几种常见压电材料的基本性能,探讨压电材料的发展趋势。
教学方式方法:该部分内容较容易理解,采用多媒体讲授。

§6-3 等效电路
教学目的、要求:掌握压电式传感器的等效电路,学会分析压电式传感器不同形式的等效电
路。

重点、难点:压电式传感器的等效电路分析。
主要内容:压电式传感器的等效电路分析。
思考及作业:

该环节采用多媒体动画讲授
为什么压电式传感器不能进行静态测量?
教学设计:以等效电路图解释说明为什么压电式传感器只能进行动态测量。


由等效电路可以看出,只有传感器内部信号电荷无“漏损”,外电路负载无穷大时,

压电传感器受力作用后产生的电压或电荷才能长期保存下来。实际上,压电传感器内部不可
能没有泄漏,外电路负载也不可能无穷大,只有外力以较高的频率不断的作用,压电传感器
的电荷才能得到补充,从这个意义上讲,压电传感器不适合于静态测量。

教学方式方法:该部分内容较容易理解,采用多媒体讲授。

§6-4 测量电路
教学目的、要求:必须掌握压电传感器的串联和并联,理解电压放大器和电荷放大器的工作
原理。

重点、难点:对压电传感器的串联和并联的分析。
主要内容:电压放大器和电荷放大器的分析以及压电传感器的串联和并联。
思考及作业:

① 压电传感器为什么要接前置放大器?常用的前置放大器有几种?
② 常见的压电元件的组合形式有哪些?这样组合形式各适用于那些场合?

教学设计:简述压电传感器的前置放大器,叙述电压放大器和电荷放大器的电路组成和各自
特点。重点讲解压电元件的组合形式以及不同组合形式所适用的场合。

在实际应用中,常使用多片压电元件,按照串联或并联的方式连接,来提高灵敏度。
如下图所示。
并联结构是两个压电元件共用一个负电极,负电荷全都集中在该极上,而正电荷分别
集中在两边的两个正电极上。如图6-11(a)所示。这种连接方式的输出特性为:输出电荷、
电容为单片的2倍,输出电压与单片相同



CCUUqq2
2


并联接法输出电荷大,本身电容也大,时间常数大,适用于测量慢变信号,当采用电
荷放大器转换压电元件上的输出电荷q时,并联方式可以提高传感器的灵敏度,所以并联方
式适用于以电荷作为输出量的地方。
串联结构是把上一个压电元件的负极面与下一个压电元件的正极面粘结在一起,在粘
结面处的正负电荷相互抵消,而在上、下两电极上分别聚集起正负电荷。如图6-11(b)所
示。串联电荷与弹片的电荷量相等。但输出电压为单片的2倍,电容为单片的1/2

2/2CCUUqq
串联接法的输出电压大,本身电容小,当采用电压放大器转换压电元件上的输出电压时,
串联方法可以提高传感器的灵敏度,所以串联方式适用于以电压作为输出信号,并且测量电
路输入阻抗很高的地方。

教学方式方法:采用多媒体讲授。

§6-5 压电式传感器的应用
教学目的、要求:了解压电式传感器的应用领域,掌握压电式传感器的工作原理。学会设计
简单的压电式传感器。

重点、难点:压电式传感器的设计应用
主要内容:对常用压电式传感器的测量分析,如力的测量、加速度的测量、压电式玻璃破碎
报警器和压电式周界报警系统。
思考及作业:
给出一种压电式加速度传感器的原理结构图,说明其工作过程和特点。
教学设计:从测量参数不同对压电传感器的应用进行阐述。
以压电式玻璃破碎报警器为例进行分析工作原理。BS-D2压电式传感器是专门用于检测
玻璃破碎的一种传感器、它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生
的振动波。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路见下图所示。传感器的最小输出

电压100rnv、最大输出电压为100v,内阻抗为15~20k。

报警器的电路框图见下图所示,使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警
电路相连。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器进行滤波,要求它对
选定的频谱通带的衰减要小,而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的
范围内,这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时。才会输出
报警信号,驱动报警执行机构工作。

教学方式方法:采用多媒体讲授。