第五章 壓電式傳感器2

1、,主要內(nèi)容：一 壓電式傳感器的應(yīng)用二 總結(jié)三 例題分析,,一 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓力、加速度、微重力、超聲流量計(jì)。如：血壓計(jì)、脈搏計(jì)、呼吸漩渦流量、玻璃破碎報(bào)警、汽車(chē)安全氣囊裝置、交通超載等。,,,4,汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng),BZ-8701A袖珍式測(cè)振儀壓電式傳感器,5,6,壓電式脈搏計(jì),指套式電子血壓計(jì),,壓電薄膜（集成壓電式）傳感器 該傳感器具有靈敏度高，抗過(guò)載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾

2、性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。,典型應(yīng)用： ·脈搏計(jì)數(shù)探測(cè) ·按鍵鍵盤(pán)，觸摸鍵盤(pán) ·振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警 ·振動(dòng)加速度測(cè)量 ·管道壓力波動(dòng) ·其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等,9,1 壓電式壓力傳感器,2   加速度型心音傳感器,心音是一種生物機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，隨著心臟的收縮和舒張，

3、造成瓣膜的迅速打開(kāi)或關(guān)閉，從而形成了由血流湍流引起的振動(dòng)，脈管中血流的加速和減速也會(huì)造成血管的振動(dòng)，這些振動(dòng)傳到胸腔表面就是心音。這些聲音的頻率范圍一般都在20～200Hz以?xún)?nèi)， 這種傳感器的重量可做得小于30g，除可用來(lái)記錄心音信號(hào)外，還可用來(lái)測(cè)量震顫。,結(jié)構(gòu) 加速度型心音傳感器是將一個(gè)質(zhì)量塊以一定的預(yù)應(yīng)力安裝在雙壓電晶體上，壓電晶體和導(dǎo)線都用導(dǎo)電膠粘結(jié)在底座上。,圖 心音傳感器結(jié)構(gòu),心音傳感器原理,測(cè)量時(shí)將心音傳感器底

4、座用橡皮膏與人體體表粘結(jié)，傳感器感受與人體體表相同頻率的振動(dòng)，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電晶體上，壓電晶體便產(chǎn)生電荷。,據(jù)力學(xué)知識(shí)：,為質(zhì)量塊質(zhì)量， 為加速度,,HKY-06A 型心音傳感器 技術(shù)參數(shù)： 電源：5V DC 輸出功率：最大 1W 功耗：小于 30mA 頻率響應(yīng)：10-600Hz 靈敏度：大于 4mV/Pa,3超聲多普勒血流測(cè)定,超聲測(cè)量?jī)x器探頭的發(fā)射裝置,超聲法測(cè)量血流量是根據(jù)超聲多普勒效

5、應(yīng)。,超聲探頭發(fā)射，逆壓電效應(yīng)接收，正壓電效應(yīng),,超聲多普勒法測(cè)定血流原理,3 微重力壓電晶體生物傳感器 石英晶體的諧振頻率極大地依賴(lài)于晶體以及涂層的組合質(zhì)量（電容改變）。石英傳感器，其表面吸附的被分析物質(zhì)而引起的諧振頻率變化關(guān)系為：f——晶體頻率（HZ）；△m——晶體吸附的被測(cè)物質(zhì)質(zhì)量；A——傳感器敏感區(qū)面積。 利用這一原理可對(duì)溶液中許多化和物，通過(guò)電極上的電解沉淀進(jìn)行測(cè)量，例如監(jiān)測(cè)

6、微生物的生長(zhǎng)率，該方法當(dāng)濃度在范圍內(nèi)，有很好的線性。,,質(zhì)量響應(yīng)型傳感器，又稱(chēng)石英晶體電平。在免疫學(xué)、微生物學(xué)、基因檢測(cè)、血液流變、藥理研究及環(huán)境有重要應(yīng)用價(jià)值。,二 總結(jié),石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。,無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；,測(cè)量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用： 阻抗變換 放大 前置放大器形式：電壓放大器，如圖（1）電荷放大

7、器，如圖（2）,總結(jié),理想情況下，前置放大器的輸入電壓：,實(shí)際前置放大器的輸入電壓：,,實(shí)際與理想輸入電之比：,總結(jié),理想下，電荷放大器輸出：,實(shí)際下，電荷放大器輸出：,三 例題分析,1某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián)，每片厚度t=0.2mm,圓片半徑r=1cm, x切型d11=2.31x10-12C/N。當(dāng)0.1MPa壓力垂直作用于px平面時(shí)，求傳感器輸出電荷q和電極間電壓Ua的值。解：當(dāng)兩片石英

8、晶片并聯(lián)，輸出電荷q′為單片的2倍，所以得到,,,2 設(shè)電壓前置放大器測(cè)量電路的總電阻， 總電容為C=1000pF, 傳感器機(jī)械系統(tǒng)固有頻率 ， 求幅值誤差小于2%時(shí)，其使用的下限頻率。解：根據(jù)壓電式加速度計(jì)下限截止頻率取決于前置放大器參數(shù)，對(duì)電壓前置放大器而言，其實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓之比的相對(duì)幅頻特性為：,式中 為作用在壓電元件上的信號(hào)角頻率，

9、 為前置放大器回路時(shí)間常數(shù)。,,有題意可知：代入數(shù)據(jù)可計(jì)算出 =10，,解：系統(tǒng)靈敏度系數(shù)應(yīng)等于傳感器靈敏度與電荷放大器靈敏度乘積，故系統(tǒng)靈敏度系數(shù)K= 輸出電壓值U/測(cè)得加速度值a，所以求出加速據(jù)為：,,3 用石英晶體加速度計(jì)測(cè)量機(jī)器的振動(dòng)，已知加速度計(jì)的靈敏度為2.5pC/g（g為重力加速度），電荷放大器靈敏度為80mV/pC,當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度時(shí)，相應(yīng)輸出幅值電壓為4V。試計(jì)算機(jī)

10、器的振動(dòng)加速度是多少,作業(yè),1. 壓電傳感器中采用電荷放大器有何優(yōu)點(diǎn)，試分析說(shuō)明： (1) 電壓放大器的輸出與電纜長(zhǎng)度有關(guān)。（2）電荷放大器的輸出與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。 2.壓電材料有哪幾個(gè)重要的性能參數(shù)？說(shuō)明石英晶體壓電性能特點(diǎn)及其主要用途，畫(huà)圖說(shuō)明壓電傳感器的實(shí)際等效電路，并說(shuō)明對(duì)測(cè)量放大器的特性有何要求？,作業(yè),1. 有一壓電晶體，其面積S=3cm2，厚度t=0.3mm，x切型縱向石英晶體壓電系數(shù)d11=2.31x10-12C/N