第13讲 压电传感器

1、压电元件的常有结构形式压电元件的常有结构形式 压电传感器压电传感器 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形， 同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表 面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢 复到不带电的状态，这种现象被称为复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应压电效应。当作。当作 用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能 转化为电能的现象称为转化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应

2、”或或“顺压电效顺压电效 应应”。 压电效应压电效应 石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些 材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加 电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能 转化为机械能的现象称为转化为机械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸电致伸 缩效应缩效应”。 常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体 压电陶瓷。压电陶瓷。

3、压电单晶体有石英压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英)、水溶、水溶 性压电晶体性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石 酸二钾、硫酸锤等酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶；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。酸铅压电陶瓷等。 如图所示为天如图所示为天 然石英晶体，其然石英晶体，其 结构形状为一个结构形状为一个 六角形晶柱，两六角形晶柱，两 端为一对称棱锥。端为一对称棱锥。 在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直

4、的轴表示，在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示， 其中，纵轴其中，纵轴Z称为光轴称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的，通过六棱线而垂直于光铀的 X铀称为电轴铀称为电轴，与，与X-X轴和轴和Z-Z轴垂直的轴垂直的Y-Y轴轴 (垂直于垂直于 六棱柱体的棱面六棱柱体的棱面)称为称为机械轴机械轴。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行 于于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把 沿电轴沿电轴(X(X轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产

5、生的压电效应称为“纵向压电效纵向压电效 应应”，把沿机械轴，把沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为 “横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效方向的作用力不产生压电效 应。沿相对两棱加力时，则产生应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主。压电式传感器主 要是利用要是利用纵向压电效应纵向压电效应。 1.1.并联并联 q=2q U=U C=2Cq=2q U=U C=2C 并联接法输出电荷大，本并联接法输出电荷大，本 身电容也大，时间常数大，身电容也大，时间常数大， 适用于测量慢变信号，

6、并且适用于测量慢变信号，并且 适用于以电荷作为输出量的适用于以电荷作为输出量的 地方。地方。 压电元件的常有结构形式压电元件的常有结构形式 2. 2. 串联串联 q=q U=2U C=C/2q=q U=2U C=C/2 串联接法输出电压大，本串联接法输出电压大，本 身电容小，适用于以电压作身电容小，适用于以电压作 为输出信号，并且测量电路为输出信号，并且测量电路 输入阻抗很高的地方。输入阻抗很高的地方。 压电元件的常有结构形式压电元件的常有结构形式 (a)并联并联 (b)串联串联 压电元件的常有结构形式压电元件的常有结构形式 SS C r a 0 a a C q U l由于压电式传感器的输出电

7、信号很微弱，通常先把由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把 传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经 过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信 号输入到指示仪表或记录器中。号输入到指示仪表或记录器中。( (其中，测量电路的其中，测量电路的 关键在于高阻抗输入的前置放大器。）关键在于高阻抗输入的前置放大器。） l前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变 换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱

8、电信号。 l前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电 压放大器，其输出电压与输入电压压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出) 成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其 输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的 电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而 电荷放大器应用日益广泛。电荷放大器应用日益广泛。 差动式加速度传感器差动式加速度传感器 弯曲型压电加速度计弯曲型压电加速度

9、计 高频率强振动类型超声换能器高频率强振动类型超声换能器 High-frequency Harcl Oscillation Transducer 压电点火栓压电点火栓 Piecoelectric Lighter 点火元件要求在承受一定的压力下能放出较长的火点火元件要求在承受一定的压力下能放出较长的火 花，并在至少一万次力的作用下不降低其发火能力，压电花，并在至少一万次力的作用下不降低其发火能力，压电 电荷系数电荷系数d33d33愈大，受力后产生的电压愈大、电火花也会愈大，受力后产生的电压愈大、电火花也会 愈长。愈长。 如图所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹如图所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹 的示意图。通过放电炮的方式使水箱振动的示意图。通过放电炮的方式使水箱振动(激振器激振器)，桥墩将，桥墩将 承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的 响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪， 再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可 判定桥墩有无缺陷。判定桥墩有无缺陷。 探测桥墩水下部分裂纹示意图探测桥墩水下部分裂纹示意图 图图 (a)为探测示意图。为探测示意图。 没有缺陷的桥墩为