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1、第 四 讲压电式传感技术,主要用于动态作用力、压力和加速度的测量一、压电式传感器的工作原理（一）压电效应某些晶体在外力的作用下，不仅几何尺寸发生变化，而且晶体内部产生极化现象，晶体表面出现电荷，形成电场。当外力去除后，晶体恢复原状，这种现象称压电效应。,压电材料：具有压电效应的材料逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。（二）石英晶体的压电效应1.石英晶体材料的特性石英晶体即二氧化硅无水化合物，SiO2具有理想的线性，无滞后刚性好,频率响应范围宽，特别适用于动态测量稳定性好，时间老化率低，无热释电现象居里点高，573，对温度的敏感性比电阻
2、、电感类要低得多，因此灵敏度变化极小具有较高的绝缘阻抗,、和，其大小为：,2、石英晶体压电效应产生的原因,（1）、石英晶体未受到外力作用时，如图62（A）示。石英晶体的晶格是正六边形，正离子Si+和负离子0-正好分布在正六边形的顶角上，形成了三个互成1200夹角的偶极矩,由于是正六边形，正负电荷中心重合。因此电偶极矩矢量和等于0。即 故电荷平衡，晶体表面不产生电荷，呈中性。,（2）、石英晶体受到沿X轴方向的压力作用，即FX 0，如图62（B）示。石英晶体将在X轴方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置发生变化。正硅离子被挤入到负离子和之间，负离子氧被挤入到正离子和之间，此时石英晶体不再是正六边形
3、了，因而正、负电荷中心不再重合，电偶极矩矢量和在X、Y、Z三个轴方向的分量，分别为：结果在沿X轴正向垂直表面上出现负电荷，其相对表面出现正电荷。,3.石英晶体的压电效应纵向效应 x0切割，沿x轴方向受力，在垂直于x轴的平面上产生电荷Q与作用力Fx成正比，且与晶片几何尺寸无关。,横向效应 对石英晶体y0切割，截得压电元件两端面与y轴相垂直，当沿y轴方向受力，在垂直于x轴的平面上产生电何Q与作用力Fy成正比，且与晶片尺寸无关,二、压电材料及压电元件的结构（一）对压电材料的要求具有较大压电常数机械强度高、刚度大，固有频率高高电阻率，大介电常数高居里点（压电性能破坏时的温度转变点）压电特性不随时间蜕变
4、，时间稳定性要好,（二）常见压电材料简介1.石英晶体天然人造利用天然原料高温融合，再按要求切割成形优点：如前述缺点：灵敏度低，介电常数小,2.压电陶瓷烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型，应用最普遍。钛酸钡压电陶瓷BaTiO3 锆钛酸铅系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷,3.水溶性压电晶体4.铌酸锂晶体5.压电半导体6.高分子压电材料压电薄膜，柔软、不易破碎，可以大量生产和制成较大面积。,（三）压电元件的常用结构形式1.并联输出电容C=nC 输出电压U=U输出电荷Q=nQ时间常数大，适用于测量缓慢信号，并以电荷量作为输出的场合。,2.串联输出电容C=C/n 输出电压U=nU输出电荷Q=Q适
5、用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。（四）预应力压电元件上应施加预应力，保证压电片始终受力，使输出与作用力之间为线性关系。,三、压电式传感器的测量电路压电式传感器的内阻抗很高，输出信号微弱，一般不能直接显示和记录，压电式传感器要求后续测量电路要有足够高的输入阻抗。,1.电压放大器 图中 Ca串联型压电元件等效电容 ua串联型压电元件等效电压 Cc电缆等效电容，Ci输入电容,等效电路 C=Cc+Ci 压电传感器受力 F=Fmsint,（d压电系数）,当R（Ci+Cc+Ca)1时：,上式说明：放大器输入电压有效值与被测频率无关；改变连接传感器与放大器的电缆长度时，Cc改变，导致放大
6、器的输入输出电压发生变化。,2.电荷放大器电荷输入，电压输出。如忽略电阻Ra、Ri和Rf的影响，则Qi=Q-Qf当A足够大，Ui0 Qi0故：Qf=Q U0=-Ucf=-Q/Cf,电荷放大器的灵敏度：K=U0/Q=1/Cf说明：电荷放大器的输出电压与压电传感器产生的电荷量Q成正比，与放大器的反馈电容Cf成反比；只要放大器的放大倍数A足够大，电缆电容、输入电容等对输出的影响可以忽略；Cf两端并联反馈电阻，形成直流反馈，以稳定放大器的直流工作点。,四、压电式传感的应用可用于测量力、压力、振动的加速度，也可用于声学和声发射等测量。,一、压电式测力传感器:单向力传感器：如图612所示：两片压电晶片沿电
7、轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。,被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，便使晶片产生电荷，负电荷由片形电极（负极）输出，正电荷与上盖和底座连接。这种传感器有以下特点：、体积小，重量轻（仅10g）；、固有频率高（约5060KHz）；、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力，、分辩率高，可达10-3N。,二.测量汽缸中燃烧的爆发力将石英力传感器紧固在汽缸盖的紧固螺栓中，相当于垫圈的作用，电荷放大器输出接峰值电压表，即可指示出汽缸的爆发力。,原理如图所示：当使用者将开关往里压时，打开气阀，再旋转开关，使弹簧往左压，这时弹簧有一个很大的力，撞击压电晶体，使压电晶体产生电荷，经高压线至燃烧盘产生高压放电，产生火花，导致燃烧盘的煤气点火燃烧。,三、煤气灶电子点火装置,
