利用压电振动传感器设计当受到振动后该电路能发出可持续时间为1分钟左右的报警声响。

1．学会压电式传感器的测量原理；

2．了解压电式传感器的材料特性；

3．学会压电传感器的测量电路及应用；

4．培养学生团队协作和调试的吃苦耐劳精神。

1．重点：压电式传感器的测量原理；

2．难点：压电式传感器的应用。

1．压电式传感器测量的力和电阻应变式测得力有什么区别？

2．压电式传感器现在新型材料是什么？

一、压电式传感器的测量原理

压电式传感器从词义理解就应该是受压产生电信号的一类传感器。它属于一种物性型传感器。利用一种特殊材料的固态物理特性及效应实现非电量转换的传感器。

压电式传感器是一种典型的有源器件，无须外界供电，自己能够产生电，也叫自发式传感器。它具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，用于各种动态力、机械冲击与振动的测量，并在声学、医学、力学、宇航等方面得到了非常广泛的应用。

1．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， 其内部就产生极化现象， 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后， 其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。相反，在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

2．压电材料

在自然界中大多数晶体具有压电效应， 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究， 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。因此我们常见的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷和一些高分子材料 。

选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面：

（1）转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；

（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；

（3）电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；

（4）温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围；

（5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。

3．压电式传感器测量原理

压电式传感器的原理就是基于某些介质材料的压电效应制成的。

 

微课

压电式传感器测量原理

二、压电式传感器测量电路

压电元件的等效电路，当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现等值极性相反的电荷。可把压电传感器看成一个两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一个电容Ca的并联电路，如图（a）所示；也可等效为一个电压源Ua和一个电容Ca的串联电路，如图（b）所示。

 

微课

压电式传感器测量电路

1．震动报警电路设计

电路主要有压电陶瓷片X1传感器和X2陶瓷蜂鸣器及少数的电阻电容等电子元件为主构成。其中IC1是一只内含两只555时基电路和双时基电路。电路的设计原理图如图所示。

2．电路原理分析

当压电陶瓷片X1传感器受到外界的振动而产生形变或当受力时，就会在IC1-1的六脚外接的10M的电阻上产生电压信号，并触发时基电路，是压电片X2发出报警声。IC1-2集成电路与外围元器件共同构成的是一个多谐振荡器产生约为5HZ的低频调制信号，该信号驱动X2发出经调制的报警声。

姓名		班级		学号
名称	压电式振动报警器的制作
任务提出	利用套件制作压电振动报警电路，完成安装与调试，掌握压电效应和逆压电效应的应用。
任务制作	原理图 引脚图 音乐芯片：面朝自己，1是地，2空，3，输出，4输入
任务分析	1．试分析该电路的工作原理? 2．电路中Y1和Y2有何不同，工作原理分别是什么？ 3．报警声音持续时间长短由哪些器件决定？ 4．电感线圈L1的作用是什么？
任务总结	总结在调试过程中出现的问题

扩展学习

 

压电材料特性