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1、6 压电式传感器,压电传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器），这种传感器不需要外接电源，直接就能产生电压。压电传感器是以某些物质的压电效应为基础的。在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电式传感器是力敏感元件，它能测量最终能变换为力的那些物理量。如压力、加速度、应力。,一、压电效应,极化现象：是指原来不带电的介质，在某种条件下，其表面产生电荷的现象。顺（正）压电效应：某些电介质沿着一定方向对其施加力而使它变形时，由于内部产生极化现象，其两表面上产生符号相反的电荷，外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为顺压电效应。作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
2、逆压电效应（电致伸缩效应）：顺压电效应的逆过程，对某些电介质施加一定的变电场，电介质本身将产生机械变形，外电场撤离后，变形也随着消失的现象。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。,1、石英晶体的压电效应1)晶体结构,石英晶体是一个六角形晶柱，共有30个晶面。在晶体学中用三根互相垂直的轴来表示，称为晶轴。Z-Z轴为光轴，它经过六面体的棱线，垂直于光轴的XX轴称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线。与X、Z轴同时垂直的YY轴称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。,2)压电特性,石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很
3、大。因此应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。,纵向压电效应 沿电轴X施加力，产生的电荷位于与电轴X垂直的晶面上。产生的电荷为：qxxdxxFx qxx为产生的电荷 dxx为纵向压电系数 Fx为沿电轴X方向施加的压力。(下标表示电荷所在面的轴向及施加作用力的方向),横向压电效应沿机械轴Y施力，产生的电荷仍位于与X垂直的晶面上。同一晶片上横向压电效应产生的电荷为,qxy为产生的电荷 dxy为横向压电系数 FY为沿机械轴Y方向施加的压力。因dxydxx(石英晶体的对称性)，故有,3)石英晶体的压电机理,在一个晶体单元组中，有三个硅离子和六个氧离子，将硅离子与2个氧离子分别等效为、。其中Si4+
4、及2O2-分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等，互成120o交角的电偶极矩P1、P2和P3，Pql，其方向从负电荷指向正电荷，是矢量。不受力时，P1P2P30，呈电中性。,当受X轴方向压力时，P1P2P30，即为纵向压电效应。当受Y轴方向压力时，P1P2P30，即横向压电效应。,当受Z轴方向作用力时，硅离子与氧离子是对称平移，正负电荷中心始终重合，不产生压电效应。,2、压电陶瓷的压电现象,压电陶瓷是一种多晶铁电体，铁电体具有剩余极化的性质，它有电畴结构。如：钛酸钡、锆钛酸铅等。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向（即电偶极矩有一定方向）。铁电体内部的电畴无规则排列，使得它们的极化效应
5、互相抵消，故在原始状态，压电陶瓷不具有压电效应。,在一定温度条件下，对压电陶瓷加以强电场，此时电畴的极化方向发生转动，趋于外电场的方向排列，材料得以极化。,如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变，束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。,对于压电陶瓷，通常将它的极化方向作为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受
6、力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷。q=dzzF dzz压电系数,二、压电材料,选取合适的压电材料是压电式传感器的关键，一般应考虑以下主要特性进行选择：1）具有较大的压电常数。2）压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。4）具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可得到较宽的工作温度范围。5）压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。,压电传感器中的压电元件材料一般有三类：1、石英晶体；2、压电陶瓷；3、高分子压电材料：典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯、聚氟
7、乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。,三、等效电路,1、等效电路 压电片相当于一个平板电容器。CaS/d。使用时压电片可以等效为电荷源与电压源两种等效电路。压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。,2、压电晶片的连接方式 由于外力作用而使压电材料上产生的电荷，只有在无泄漏的情况下才会长期保存，故需要测量电路具有无穷大的输入阻抗实际上这是不可能的，故其不宜做静态测量，只宜作动态测量。实际使用时，可用多片压电晶片粘贴在一起使用，接法有串联、并联两种。并联接法输出电荷大，但本身电容大(C=Q/U)，时间常数大，只适于测量低
8、频信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，电容小，适于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。使用压电传感器时应注意1、压电晶片应有一定预应力，以保证全面均匀接触2、压电陶瓷的压电常数会随着时间的增加而减小，故应定期进行灵敏度校正，石英晶体则无需校正。,四、测量电路,压电传感器本身内阻抗很高，而输出的能量非常微弱，故其测量电路通常需要有一个高输入阻抗的前置放大级作为阻抗匹配，后方可采用的放大、检波、指示等电路。压电式传感器的前置电压放大器有两个作用：一)把压电传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出二)放大压电传感器输出的弱信号。,1、电压放大器（阻抗变换器),C=CC+Ci+Ca,
9、若压电传感器受力为F=Fmsint，则压电元件上产生的电压,由上式可见，0时即静态，Ui0，不适合静态测量。当R1时，放大器输入电压大小为：,由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，CC将改变，从而引起放大器的输出电压也发生变化。经过放大器后，输出电压与U i成正比。,2、电荷放大器,电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。下图所示电荷放大器实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。,忽略Ra、Ri及Rf的影响，有,一般情况下，有K1，且(1+K)CfCa+Ci+CC，此时放大器输出电压可以表示为：UO=Q/Cf 即：电荷放大
10、器的输出电压仅与产生的电荷量及反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略。电荷放大器的灵敏度为：K1Cf,五、应用,1、测力传感器,2、加速度传感器,(a)压缩式压电加速度传感器。这是目前最常见的一种。结构简单,装配较为方便。(b)剪切式压电加速度传感器。采用剪切应力实现压电转换。管式压电元件紧套在金属圆柱上，在压电元件外径上再套上惯性质量块。当金属圆柱向上运动,由于惯性质量环保持滞后，这样压电元件就受剪切应力作用，从而在压电元件的内外表面上产生电荷。(c)弯曲式压电加速度传感器。压电晶片粘贴在悬臂梁的侧面，悬臂梁的自由端装配质量块。振动时梁弯曲，侧面受到拉伸压缩,使压电元件发生形变输出电信号。,作业：P314 6.2 6.4,
