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1、第6章 压电式传感器,压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。,下页,返回,第6章 压电式传感器,6.1压电转换元件的工作原理-压电效应6.2压电材料6.3等效电路6.4测量电路6.5压电式传感器的应用举例本章要点,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；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
2、正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可分为 图6-1所示的几种基本形式。但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,压电方程和压电常数矩阵压电效应正压电效应某些晶体
3、或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象；逆压电效应如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形的现象。,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,天然石英晶体的结构外形光轴(Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,且无压电效应；电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著;机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最大。,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,压电方程压电效应的数学表达式压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比。精确表达式式中：dij是压电常数，单位为(C/N)；Pi是电荷的表
4、面密度，单位为(C/cm2);i是单位面积上的作用力（应力），单位为(N/cm2）。,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,压电常数矩阵：,下页,上页,返回,一般情况下压电方程：,6.1 压电转换元件的工作原理,石英晶体压电效应机理：,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,下页,上页,返回,6.1 压电转换元件的工作原理,下页,上页,返回,压电陶瓷压电效应机理压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。多晶：由无数细微单晶组成；铁电体：具有电畴结构；电畴：分子自发形成的极
5、化方向相同的小区域。,6.1 压电转换元件的工作原理,下页,上页,返回,极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴”规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形成压电陶瓷。压电常数矩：,注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。,6.1 压电转换元件的工作原理,下页,上页,返回,压电陶瓷与石英晶体比较 压电陶瓷效果显著。,6.2 压电材料,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：转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；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
6、频率；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；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；时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。,下页,上页,返回,6.3 等效电路,压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：,式中 s-极板面积 r-压电材料相对介电常数 0-真空介电常数-压电元件厚度,下页,上页,返回,Ra是压电元件的漏电阻,6.3 等效电路,当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负
7、电荷Q，压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为 这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器Ca的等效电路；同时也等效为 一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电 路。其中Ra为压电元件的漏电阻。,下页,上页,返回,6.3 等效电路,压电式传感器的灵敏度电压灵敏度：单位力产生的电压；电荷灵敏度：单位力产生的电荷；，。,下页,上页,返回,根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。,6.4 测量电路,下页,上页,返回,6.4
8、测量电路,下页,上页,返回,Ri、Ci、Cc分别为放大器的输入电阻、输入电容和电缆线的电容,电压放大器和电荷放大器：,6.4 测量电路,电压放大器 电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。,下页,上页,返回,其中,6.4 测量电路,电压放大器 以压电陶瓷为例 设压电陶瓷受到交变外力F1作用,下页,上页,返回,用复数表示放大器的输入电压,6.4 测量电路,电压放大器电压Ui的幅值电压Ui与作用力之间的相位差：,下页,上页,返回,令,6.4 测量电路,电压放大器 得,下页,上页,返回,6.4 测量电路,
9、电压放大器电压电压幅值比和相角与频率比的关系曲线从曲线知=0，Um=0，电荷被泄漏，压电式 传感器不能测量静态量(灵敏度下降)；31,Um与作用力的频率无关,高频响应非常好;,下页,上页,返回,6.4 测量电路,电压放大器电压灵敏度,下页,上页,返回,由此可知：要扩大低频响应范围,必须增加R(而不是C)来增加测量回路的时间常数=R(C+Ca),否则,电压灵敏度kU下降;,6.4 测量电路,电压放大器电压当R1时,说明：放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自身电容,电缆线电容有关。更换电缆需重新标定系统灵敏度。,下页,上页,返回,6.4 测量电路,电荷放大器 由于电压放大器使所配接的压电式传感器的
10、电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。,下页,上页,返回,6.4 测量电路,电荷放大器特点：消除电缆分布电容的影响；具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。电路简化：忽略Ri，Ra（），运放的K足够大,高频忽略RF；(低频时RF不能忽略)。,下页,上页,返回,6.4 测量电路,电荷放大器 输出U0可以简化,下页,上页,返回,注意到(1+K)CF(CC+Ca+Ci),6.4 测量电路,电荷放大器,下页,上页,返回,特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q，输出灵敏度不受电缆分布电容的影响;(2)适用于高频(gFjCF);,低频时输出(RF不能忽略),6.4 测量电路,下页,上页,返回,6.4.2电荷放大器,6.5 压电式传感器的应用举例,特点：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。在检测技术中，常用来测量力和加速度。举例：,下页,上页,返回,测加速度,6.5 压电式传感器的应用举例,下页,上页,返回,压电式压力传感器特点：压电元件并联使用,第6章 本章要点,压电效应石英晶体的压电效应压电陶瓷的压电效应高分子材料的压电效应等效电路测量电路,结束,上页,返回,
