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1、5.3.1 压电效应和压电材料,正压电效应:对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。,5.3 压电传感器,1.压电效应,此过程表现为机械能转化为电能。,晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。,逆压电效应：电介质的极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，去掉外电场，变形消失。,此过程表现为电能转化为机械能。,由此可见，压电效应属于可逆效应。,具有压电效应的电介质物质称为压电材料，大多数晶体都有，但很微弱。,2.压电材料,常见的压电材料可以分为压电
2、晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是多晶体。,选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。,（1）石英晶体,常见的有天然和人造石英晶体（SiO2），还有酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O），铌酸锂（LiNbO2）等。,（2）压电陶瓷,a.钛酸钡压电陶瓷,由钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和氧化钛（TiO2）在高温下合成。,特点：属单晶体结构，压电常数大，温度稳定性好，机械性能优良（强度高，固有振荡频率稳定），时间稳定性好。,c铌酸盐系压电陶瓷,b锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）,锆钛酸铅是由钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的固溶体Pb（ZrTiO3）。,铌
3、酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO2）为基础制成。,除了以上几种压电材料，近年来，又出现了铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），具有极高的压电常数，居里点为260，可承受700kg/cm2的压力。,特点：属多晶体结构，压电常数比石英晶体高，但介电常数、机械性能不如石英晶体好。品种多，性能各异，可根据各自的特点制作不同的压电传感器。,3.石英晶体的压电效应,图1 石英晶体,(1)结构：单晶体结构，六角形晶体，各向异性。,放在三维坐标系中考虑：,Z轴：,X轴：,光轴，无压电效应,电轴，经过正六面体棱线，垂直于光轴。,FX-Q纵向压电效应。,Y轴：,机械轴，垂直于晶体横截面多边形各条边
4、和光轴。,FY-Q横向压电效应。,（2）计算：,a.沿电轴X方向施加作用力FX，则厚度变形，有,b.沿机械轴Y方向施加作用力Fy，则长度变形，有,（与尺寸无关）,（与尺寸有关）,（3）分析：,电偶极矩：,P=ql,（q：电荷量，l：正、负电荷之间的距离）,（矢量）,方向：由负电荷指向正电荷。,无压力时：,P1+P2+P3=0,加FX时：,（P1+P2+P3）0,PX0,Py=0,PZ=0,加Fy时：,（P1+P2+P3）0,Py0,PX=0,PZ=0,（纵向压电效应）,（横向压电效应）,加FZ时：,正、负电荷对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X、Y方向的分量为零。所以无电荷，无压
5、电效应。,4.压电陶瓷的压电效应,(1)结构：,人造多晶体，各向同性。,在极化处理以前，各晶体粒内电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，所以压电陶瓷内极化强度为零。,故压电陶瓷必须进行极化后才有压电效应，其压电系数为石英晶体的几百倍，并且压电陶瓷在使用过程中需要定期（通常是半年）进行灵敏度校正，保证其测量精度。,（2）计算：,Q=d33F,（3）分析：,图2 压电陶瓷的极化过程和压电原理图,5.3.2 压电式传感器等效电路和测量电路,1.压电器件的串联与并联,图3 压电元件的串联和并联接法,(1)串联：,Q=Q,U=NU,C=C/N,串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及
6、测量电路输入阻抗很高的场合；,(2)并联：,Q=NQ,U=U,C=NC,并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。,预应力,可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源，如图4（a）所示。压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电路，如图4（b）。,2.压电式传感器的等效电路,图4 压电传感器的等效电路,Q=CaU,U=Q/Ca,图5 压电传感器的实际等效电路,工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。如图5所示为压电传感器测试系统完整的等效电路
7、。,(1)电压放大器（阻抗变换器）,图6 电压放大器电路原理及其等效电路图,3.压电式传感器的测量电路,a.w/w03时，可以认为Uim与w无关，即压电传感器有很好的高频响应特性，不能用于静态力测量。,分析：,b.Uim与电缆电容CC相关，当电缆长度改变时，CC也将改变。同时，Uim也随之改变。压电传感器与前置放大器间连接电缆不能随意更换，否则将引入误差。,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压为,图7 电荷放大器等效电路,电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与q成正比，与Cf有关。对Cf的精度、温度和时间段定性要求高，价高、复杂，调整困难。,（2）电荷放大器,通常A=10
8、4106，因此若满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，则,5.3.3 压电式传感器应用举例,（1）单向力传感器（2）压电式压力传感器测量冲床压力（3）压电式压力传感器测量金属加工切削力,图9 冲床压力检测,图8 单向压电石英力传感器的结构,图10 压电式刀具切削力测量示意图,1压电式压力传感器,2压电式加速度传感器,图11 压电式加速度传感器结构图,图12 表面粗糙度测量,3用压电式传感器测表面粗糙程度,4压电式玻璃破碎报警器,图14 压电式玻璃破碎报警器电路框图,图13 BS-D2压电式玻璃破碎传感器,5压电式煤气灶电子点火装置,图15 压电式煤气灶点火装置,小 结 某些电介质，当沿着一定方
9、向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不能直接显示和记录。所以，压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,
