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1、Cha.10 压电式传感器,工作原理：被测力及其相关物理量（加速度、振动等）-电荷-电压（流）,电介质或半导体压电效应,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，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。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,一、压电效应,某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的
2、极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”电能转变为机械能。具有压电效应的物质称为压电材料。,石英晶体的正压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；而当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,石英晶体压电方程为：,压电常数矩阵,由于材料的各向异性，压电方程的矩阵表示,二、压电材料,压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵;
3、酒石酸二钾、硫酸锤等);多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中。可以把它用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴z称为光轴；通过六棱线而垂直于光铀的x铀称为电轴；与x轴和z轴垂直的y轴(垂直于六棱柱体的棱面)，称为机械轴。,天然形成的石英晶体外形,1、石英晶体,石英晶体切片及封装,双面镀银并封装,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,2、压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵
4、敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。,压电陶瓷外形,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（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（
5、逆压电效应）,三、压电传感器的等效电路和测量电路,1、等效电路 压电传感器的基片结构如图(a)，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。,压电传感器可等效为与电容串联的电压源；等效为一个与电容并联电荷源。,2、测量电路及系统等效电路分析a）.完整的系统等效电路 压电元件是一种换能器件，属有源传感器，它在系统中有两种等效形式：电压源 U，与其等效电容Ce串联；电荷源 q，与其等效电容Ce并联。,b).测量电路（变换电
6、路、前置电路）前置放大电路的必要性：高内阻，须作阻抗变换。输出功率小，分布参数及干扰影响大。可以用电压、电荷放大器作为前置变换电路：从电压源 U等效的观点看可以使用电压放大器；从电荷源q 等效的观点看可以使用电荷放大器。(1)、电压放大器(阻抗变换器)根据系统等效电路的简化电路有：当压电元件为压电陶瓷、施加的外力为交变力：元件输出：R和C的并联阻抗：,(2)电荷放大器（电荷源等效）用电压放大器作为前置变换电路使得输出Ui 不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。,基本电路（A无限大、Ri无限大的理想放大器）,分压,系统的
7、实际等效电路分析（A有限大、C=Cc+Ce+Ci）,A为运放的开环增益，一般为104106。结果与C无关。,电荷放大器外形,压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。,四、压电传感器的应用1、压电陶瓷传感器的应用,压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,2、高分子压电材料的应用,玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,将厚约0.2mm左右的聚偏二氟乙烯(PVF2)薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,
