传感器与检测技术-第六章

传感器与检测技术-第六章.第一页，共43页。6.1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6.6影响压电式传感器精度的因素分析本章要点下页上页返回第二页，共43页。6.1压电效应

对于某些晶体或陶瓷：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。

下页上页返回第三页，共43页。

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。下页上页返回第四页，共43页。下页上页返回图6-l压电转换元件受力变形的几种基本形式第五页，共43页。下页上页返回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。第六页，共43页。下页上页返回6.1.1石英晶体的压电效应第七页，共43页。图6-2石英晶体的晶轴X轴——电轴；Y轴——机械轴；Z轴——光轴；第八页，共43页。下页上页返回图6-3石英晶体压电效应示意图沿X轴或Y轴作用力，产生压电效应；沿Z轴作用力，不产生压电效应第九页，共43页。下页上页返回图6-4石英晶体受力方向与电荷极性的关系纵向压电效应（沿X轴作用力）横向压电效应（沿Y轴作用力）第十页，共43页。下页上页返回6.1.2压电陶瓷的压电效应第十一页，共43页。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。

第十二页，共43页。图6-4压电陶瓷的极化过程和压电原理图第十三页，共43页。下页上页返回6.1.3压电方程与压电系数↓（d——压电系数）（dij——压电常数）压电常数下标的含义：第一个下标：表示极化方向，i=1,2,3分别代表X，Y，Z轴；第二个下标：表示作用力的方向，

j=1,2,3,4,5,6分别代表沿X轴，Y轴，Z轴方向的单向应力和垂直于X轴，Y轴，Z轴平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作用的剪切力；图6-7剪切力的作用方向第十四页，共43页。用矩阵表示：下页上页返回晶体在任意受力状态下表面电荷密度：第十五页，共43页。6.2压电材料下页上页返回对压电材料的要求：①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；②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频率；③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；④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；⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。第十六页，共43页。分类：单晶体

石英（SiO2）：最早使用，天然晶体，稳定，高强度，温度稳定性好，但压电常数小；

水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、硫酸锂等）：压电常数大，但受温、湿度影响大；

铌酸锂晶体：耐高温、压电性能和时间稳定性好，但质脆，热冲击性差；下页上页返回第十七页，共43页。多晶体（压电陶瓷）

钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜，但机械强度较差；

锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）：性能教稳定，压电常数较高；

铌酸盐系压电陶瓷：居里点较高和机械强度较高；

铌镁酸铅压电陶瓷：居里点和压电常数较高，可在高温及高压下工作。下页上页返回有机压电材料（压电橡胶、塑料等）柔软、不易破碎、防水，可大量生产，面积较大，价格便宜，频率响应范围较宽。第十八页，共43页。下页上页返回表6-1常用压电材料性能参数第十九页，共43页。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δ--压电元件厚度下页上页返回第二十页，共43页。当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷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，如图6-8(a)中的虚线方框；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，如图6-8的虚线方框所示。其中Ra为压电元件的漏电阻。

下页上页返回第二十一页，共43页。图6-8压电式传感器测试系统的等效电路下页上页返回第二十二页，共43页。

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第二十三页，共43页。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。图6-9是电压放大器的简化电路图。下页上页返回6.4.1电压放大器第二十四页，共43页。图6-9电压放大器的简化电路图下页上页返回第二十五页，共43页。下页上页返回电压输出型压电传感器测量电路第二十六页，共43页。

由于电压放大器使所配接的压电式传感器的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6.4.2电荷放大器第二十七页，共43页。下页上页返回图6-11电荷放大器等效电路第二十八页，共43页。图6-12电荷放大器原理框图下页上页返回第二十九页，共43页。下页上页返回电荷输出型压电传感器测量电路第三十页，共43页。6.5压电式传感器的应用举例

压电元件是一种典型的力敏感元件。具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信嗓比高等优点，应用广泛。在检测技术中，常用来测量力和加速度等。它的主要缺点是无静态输出，要求有很高的输出阻抗，且一些压电材料的工作温度不高。

下页上页返回第三十一页，共43页。下页上页返回图6-13压电式单向测力传感器

第三十二页，共43页。下页上页返回图6-14压电式压力传感器

第三十三页，共43页。下页上页返回图6-15消除振动加速度影响的压电式压力传感器的结构

第三十四页，共43页。下页上页返回图6-16压电式加速度传感器结构原理图第三十五页，共43页。第三十六页，共43页。第三十七页，共43页。第三十八页，共43页。第三十九页，共43页。6.6.1非线性

压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。

6.6.2横向灵敏度压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。6.6影响压电式传感器精度的因素分析下页上页返回第四十页，共43页。6.6.3环境温度的影响

环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。6.6.4湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。下页上页返回第四十一页，共43页。6.6.5电缆噪声为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆