第7章 压电式传感器

第7章 压电式传感器7.1压电式传感器的工作原理7.1.1 压电效应压电效应：某些晶体沿一定方向产生变形时，其表面会产生电荷。逆压电效应：电场作用下产生机械变形。特点：方向性、可逆性。一些应用：电子打火机、压电扬声器，石英钟表等。1. 石英晶体天然单晶晶体、人造单晶晶体。石英晶体x电轴；y机械轴；z光轴石英（低于573 ）的压电效应很明显。优点：性能稳定，重复性好，机械强度高，线性好。缺点：压电常数较低。沿x轴的极化强度：由于：产生的电荷：晶体压电效应示意图电偶极矩：一对正负电荷形成一个电偶极矩。p = ql，方向为从负电荷指向正电荷方向。 无对称中心的晶体可产生压电效应（极化强度之和不始终为0）。有对称中心的晶体不可产生压电效应（极化强度之和始终为0）。石英晶体的压电性能：晶片上电荷极性与受力方向的关系石英晶体的压电效应z方向受力无压电效应石英晶体的变形模式：对能量转换有意义的变形模式其他压电单晶体：铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等。2. 压电陶瓷（PZT）人工多晶体。每个晶粒自发极化，方向杂乱。压电陶瓷压电原理极化过程示意图压电效应机理优点：压电常数高（是石英晶体的几十数百倍）。缺点：机械强度低、温度稳定性不好。3. 高分子压电材料二类高分子压电材料：高分子材料本身具有压电效应。高分子材料与压电陶瓷复合形成压电材料。7.1.2 压电效应的物理解释另一种解释7.2 压电元件常见结构形式为产生足够的电荷，常用多片压电晶片组合构成传感器。叠层式压电组件结构图a，受力时，上片受拉力，下片受压力两表面电荷。图b，受力时，上、下片受力相同。压电晶片的串联与并联并联：串联：7.3 压电元件的等效电路及测量电路7.3.1 等效电路基本结构：压电元件在结构上相当于一个电容。受压产生电荷时：两种等效电路：电荷等效电路：将传感器当作电荷源。电压等效电路：将传感器当作电压源。7.3.2 测量电路作用：变换阻抗，放大信号。基本要求：输入阻抗高。1 电压放大器将压电传感器当作电压源时，对等效电路有：则信号电压：放大器的输入电压：幅值：相位：设（CaCcCi）R，o1/：0，则Uim0。低频响应特性差。o时：高频响应特性好。灵敏度：结论：电压放大器低频特性差。2 电荷放大器深度负反馈的高增益放大器。将高阻抗电荷源转换成低阻抗电压源。对等效电路，用节点电流法：理想条件下，电阻足够大，所以输出电压：当A1时，有（1+A）CfCaCiCc，所以：结论：与频率无关，电荷放大器低频特性好。7.4 压电式加速度传感器7.4.1 工作原理及特性压电式加速度传感器图中：两压电元件？联。1. 工作原理a（m）F（压电元件）Q（或U）2. 灵敏系数3. 频率特性7.4.2 压电式加速度传感器的典型结构1. 单端中心压缩型2. 倒置中心压缩型3. 隔离基座压缩型4. 环形剪切型5. 中空环形剪切型6. 剪切压缩复合型7.4.3压电式加速度传感器的应用振动与冲击测试。尤其适用于小试件、高温场合。7.5 压电式压力传感器7.5.1压电式压力传感器的原理压电式压力传感器1工