传感器第六章压电传感器

1、第六章 压电式传感器 6-1 压电式传感器工作原理一，压电效应 顺压电效应顺压电效应 ： 某些电介质：施力变形内部极化两表面产生电荷； 去力恢复两表面不带电。逆压电效应（电致伸缩效应）逆压电效应（电致伸缩效应） ： 而且，晶体受力后产生的电荷量与外力的大小成正比。施加电场变形具有压电效应的材料 ，称为压电材料。（一）石英晶体（SiO2） 天然石英晶体结构外形正六面体 图6-1a)水晶光轴电轴机械轴（力轴） 是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而其贡献是作为基准线。Z轴轴光轴（中性轴）光轴（中性轴）X轴轴电轴电轴 该轴压电效应最显著。它通过两相对棱线且垂直于Z轴。X轴有三个。Y

2、轴轴机械轴（力轴）机械轴（力轴） 在此轴上加力产生的变形最大。其垂直于两相对的棱面。Y轴有三个。 沿轴线切片xxxylhyy硅离子的排列示意图压电晶体工作原理一般用数字的下标表示压电晶体的平面或受力方向。即：1，2，3分别表示x，y，z4，5，6分别表示x,，y，,z三个轴向切向作用。引入压电系数，diji_在i方向上得到电荷；j_在j方向受力。沿x向受力(Fx)，则在电轴所在的表面上产生电荷量为：xxxFdq11纵向压电效应：牛顿）（库仑/103 . 21211d结论当晶片受到x向压力时，qxx与作用力Fx成正比，而且与晶片的几何尺寸无关。压电系数：xFxFx压电晶体的极性xEdhh11电场

3、当作用力沿机械轴y-y方向时,其电荷量仍在与xx轴垂直的平面出现，将这种压电效应称为：“横向压电效应”：Fdqyxyhl12晶片长厚比p沿光轴z-z：FZ不产生压电效应。 p横向压电效应与尺寸有关， 比值越大，灵敏度越高。hlxFyFy根据石英晶体的对称条件：1112ddFdyhl11p当晶片受到y向拉力时，qxy与作用力Fy成正比，而且与晶片的几何尺寸有关。结论xylhyyx压电晶体的极性（二）压电陶瓷人工制造的多晶压电材料极化处理：极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性轴转到接近电场的方向，这个方向就是极化方向（Z轴）。图6-6b)压电陶瓷 是人工制造的多晶体压电材料。人工：

4、人工：压电陶瓷本身并非压电体，通过人工“极化”处理后成为压电体。未极化前，电畴在晶体中杂乱分布极化后，电畴按电场方向排列特点：特点：压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几百倍。Fdzq331），当受陶瓷沿极化方向（Z轴）作用力时：d33压电陶瓷纵向压电常数。可以为石英晶体的几百倍。2），当受垂直于极化方向（X轴或Y轴）作用力时，由于垂直面各向同性，下标（1，2）可以互换。即：yxyxAAFdAAFdq3132Ax极化面面积Ay受力面的面积xyzFF+dd3132xyzFF+3231ddFdzq33AxAy 比较 石英晶体：在稳定性方面至今无与伦比，常作标准传感器或者精度要求很高的传感器。 压电陶瓷：

5、压电系数可为石英晶体的几十几百倍，价格便宜，目前使用最普遍。石英晶体与压电陶瓷6-2 压电材料和它的主要特性压电材料的主要特性包括：（1）压电常数压电常数d：产生电荷与作用力之间的关系；（2）刚度：刚度：物体在外力作用下，抵抗变形的能力。刚度越高，物体表现的越“硬”。 压电材料的刚度影响压电材料的固有频率；（3）介电常数：介电常数：决定压电常数的固有电容。电容增加，频率降低；（4）电阻：电阻：压电材料通常具有较高的内阻，有利于减少电荷泄漏，改善低频响应；（5）居里点居里点：指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体。在居里点

6、温度时，压电材料的压电性能破坏。常用压电材料的性能参数(1)石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其压电系数和介电常数的温度稳定性极好；机械强度高，绝缘性能好；价格昂贵，压电系数比压电陶瓷低得多；一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器。537(1)压电陶瓷6-3 压电元件常用的结构形式 在压电传感器中，常采用两片或两片以上的压电材料组合在一起使用。连接方式：并联和串连并联：nqqUUnCCaaa,串联：qqnUUnCCaaa,输出电荷量大，本身电容量也大，所以时间常数较大。输出电压高，自身电容小，适用于以电压作为输出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。特点特点 一、压电式传感

7、器的等效电路6-4 测量电路hACra0aCaC)( ,faaRCqU一个电荷源和一个电容器的并联电路一个电压源和一个电容器的串联电路例题： 压电式传感器在测量时要与测量电路相连接，于是就得考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri，输入电容Ci，以及压电式传感器的泄漏电阻Ra。考虑这些因素，等效电路就如图6-11 a,b)所示。二、测量电路压电式传感器前置放大器的作用：（1）高输入阻抗转换为低输出阻抗；（2）放大微弱信号电压或电荷放大电压信号产生的电荷量小、内阻高(高阻抗）、信号弱。前置放大器 设有一恒定的力作用在压电传感器的晶体元件上，使压电晶体表面产生电荷q，并在晶体表面间产生电压ua。 假

8、定，压电传感器的绝缘电阻Ra不能无限大，因此将有电荷通过Ra泄漏，使电压ua不能保持恒定值，。taeuu分析要求：传感器自身绝缘电阻极高； 测量电路前级输入端的输入阻抗极高。iRu Cuqdtdqi,0RCudtdu解得：RC)(iaiaRRRRR，式中：iaCCC代入上式：误差分析RCtaeuu级数展开：)1 (RCtuua因此，由于电荷泄漏而导致的电压损失（绝对误差）：RCtuuuuaa相对误差：RCtuua)(iaiaRRRRRiaCCC式中：在实际应用中：aiRR CRti 输出电压的衰减速率有电路的时间常数RiC决定； 为了减小漏电的测量误差，要求时间常数尽量大，所以要求电路的输入电

9、阻Ri应尽量大；结论等效电阻： )(iaiaRRRRR等效电容：iaCCC（一）电压放大器uKscuuK放大器输入端电压 设压电元件受作用力：tSinFFm则压电元件上输出电压：ammmamaaaCFdutSinuCtSinFdCFdCqu333333其中：而放大器输入端电压：uZZZZZuaCRaCRi/写成复数形式：)( ,)(133icaiCCCCCRjRjFduFdq33 输入电压幅值：)(122233CCCRFduuicaRmiim输入电压与作用力的相位差：)(21CCCtguicaiR)(:CCCicaR令 测量回路时间常数10CCCFdFdFdFduicammmmimRRR330

10、333323301:则00低频动态误差：2001122)()1(33CCCRdFuKicamimu当：)(33CCCdKicau电荷灵敏度：FqKq；F作用力电压灵敏度：aqaauCKFCqFuKCuaaq1)(icaCCCR讨论（1）当 时，放大器输入电压uim与 无关，即传感器高频响应好；0（2）当 时，灵敏度将下降。0（3）为了扩大工作频带的低频端，可减小 ，则必须提高测量电路的时间常数。0（4） 0时，Ui=0,说明不能测量静态量。0截止下限频率：)(21icaCCCRf采用输入内阻很大的前置放大器，可获得良好的低频特性，又不影响电压灵敏度。 （6）从Uim与电缆电容Cc有关，即与电缆长度有关。因此，在电压放大器的使用中，若改变电缆长度，须重新校正灵敏度值。CCCicaR0Ku（5）例题2 （二）电荷放大器1，电荷电压转换放大，输出电压正比于输入电荷。2，阻抗变换，将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源。其输入阻抗达 101012103，突出优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,而输出阻抗小于100。 gg