传感器与检测技术 第六章 压电传感器

传感器与检测技术第六章压电传感器第1页，课件共41页，创作于2023年2月第六章压电式传感器第一节压电效应第二节石英晶体的压电效应第三节压电陶瓷的压电效应第四节压电元件常用结构形式第五节等效电路与测量电路第六节压电式传感器的应用举例第七节压电式传感器的误差第2页，课件共41页，创作于2023年2月第一节压电传感器的工作原理当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，此现象称为压电效应。这种机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种将电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。也称为“电致伸缩效应”一、压电效应第3页，课件共41页，创作于2023年2月压电常数和表面电荷密度的计算q为压电元件表面的电荷密度（极化强度），单位：C/cm2；Q为电荷量，S为受作用力的表面的面积。

d为压电常数，即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量，单位：C/N；当受力方向和变形不同时，d也不同。

i=1、2、3——为电荷平面法线方向，即x、y、z轴向；j=1、2、3、4、5、6——表示作用力的方向；σ为作用面上的应力，单位：N/cm2；

F为作用力；

S为受作用力的表面的面积。第4页，课件共41页，创作于2023年2月二、压电元件的坐标系表示法第5页，课件共41页，创作于2023年2月各平面的电荷密度：第6页，课件共41页，创作于2023年2月压电系数矩阵：石英晶体的压电系数矩阵：第7页，课件共41页，创作于2023年2月其它压电常数：

3.机电耦合系数K1.压电常数g2.压电常数h第8页，课件共41页，创作于2023年2月三、石英晶体的压电效应1.石英晶体第9页，课件共41页，创作于2023年2月2.压电效应（1）纵向压电效应在电轴方向施加作用力时，在与电轴垂直的平面上将产生电荷。电荷密度：第10页，课件共41页，创作于2023年2月（2）横向压电效应在机械（Y）轴向力作用下，引起的压电效应。因为电荷密度（极化强度）

所以第11页，课件共41页，创作于2023年2月4DABC（a）硅原子带有4个正电荷，氧原子带有2个负电荷，正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。图6-3石英晶体压电效应

35261412354612635AB第12页，课件共41页，创作于2023年2月3.特点： 石英晶体是一种天然晶体，它的压电系数为d11=2.31×10-12C/N。莫氏硬度为7，熔点为1750℃，膨胀系数仅为钢的1/130。 作为常用的压电传感器具有转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而该改变）、工作湿度高达100%等优点，它的稳定性是其他压电材料无法比拟的。

第13页，课件共41页，创作于2023年2月四、压电陶瓷的压电效应1.压电陶瓷的极化特性第14页，课件共41页，创作于2023年2月2.压电陶瓷的压电效应第15页，课件共41页，创作于2023年2月3.压电陶瓷的特点

压电系数大，灵敏度高，成本低。缺点：居里点低，温度稳定性、机械强度不如石英晶体。

第16页，课件共41页，创作于2023年2月压电系数d：表示压电材料产生电荷与作用力的关系。一般为单位作用力下产生电荷的多少（单位：C/N）。刚度H：

是压电材料的固有频率的重要参数。介电常数：是决定压电晶体固有电容的主要参数，固有电容将影响传感器工作频率的下限值。电阻R：是压电晶体的内阻，其大小决定泄漏电流。居里点：即压电效应消失的温度转变点。五、压电材料的主要特性指标

第17页，课件共41页，创作于2023年2月常用压电材料的性能参数：第18页，课件共41页，创作于2023年2月第二节等效电路与测量电路一、等效电路

两极板间的电压为

只有在外电路负载RL无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压U才能长期保存下来，如果负载RL不是无穷大，则电路就要以时间常数RLCa按指数规律放电。

第19页，课件共41页，创作于2023年2月①当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路。在开路状态，其输出端电荷为：

②当需要压电元件输出电压时，可以把压电元件等效为一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路。在开路状态，其输出端电压为：

第20页，课件共41页，创作于2023年2月第二节等效电路与测量电路1、压电传感器等效电路第21页，课件共41页，创作于2023年2月2、压电式传感器测试系统等效电路压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过电缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）。

第22页，课件共41页，创作于2023年2月二、压电元件的联结方式

在压电传感器中，压电材料一般不用一片，而常常采用两片（或是两片以上）黏结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。

1.串联2.并联

第23页，课件共41页，创作于2023年2月1.串联：此时两压电片电荷极性为正、负串联输出。其输出电容为单片电容的一半，输出总电荷等于单片电荷，但输出电压为单片电压U的2倍。

第24页，课件共41页，创作于2023年2月2.并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出电容为单片电容的2倍，但输出电压等于单片电压U，极板上电荷量为单片电荷量的2倍。第25页，课件共41页，创作于2023年2月三、测量电路

通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入阻抗的前置放大器中来变成低阻抗输出信号，然后再送到测量电路的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，压电传感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。

前置放大器的两个作用： 1.是放大，把压电传感器的微弱信号放大； 2.是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。

第26页，课件共41页，创作于2023年2月前置放大器有两种形式，一种是电压放大器；另一种是电荷放大器。1.电压放大器要求：（1）很高的输入阻抗（>1011MΩ，这样才能减小由于漏电造成的电压、电荷的损失，不致引起过大的测量误差）；（2）很低的输出阻抗（小于100Ω，带负载能力强）；（3）Au0很大。

第27页，课件共41页，创作于2023年2月三、测量电路1.电压放大器（阻抗放大器）R和C分别表示前置放大器的等效输入端电阻和等效输入端电容

式中Ra代表测量电路的漏电阻，Ri代表放大器输入端电阻；式中CC代表测量电路联线分布电容（电缆电容），Ci代表放大器入端电容。

第28页，课件共41页，创作于2023年2月则等效电压源的端电压为假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的轴向力为F=Fmsinωt，其压电系数为d11，即压电效应为Qa=d11·F=d11Fmsinωt第29页，课件共41页，创作于2023年2月与作用力之间的相位差为当作用在压电元件上的力是静态力，即时，前置放大器的输入电压等于零，这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。

的幅值为

第30页，课件共41页，创作于2023年2月令测量回路时间常数为

一般ωτ＞3，上式即可成立，此时说明电压输出型测量电路中的Ui与作用力f的变化频率ω无关，即这种测量电路具有很好高频响应特性，这是其主要优点。此时传感器电压灵敏度为

当ωτ＞＞1时第31页，课件共41页，创作于2023年2月内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器

将一种电压放大器（阻抗变换器）直接装进传感器内部，使其一体化。由于该阻抗变换器充分靠近压电元件，引线非常短，引线电容几乎为0，这就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。

第32页，课件共41页，创作于2023年2月第33页，课件共41页，创作于2023年2月2.电荷放大器当开环增益A和输入电阻Ri、反馈电阻Rf相当大并视为开路时，放大器的输出电压正比于输入电荷Q。第34页，课件共41页，创作于2023年2月由于

所以一般A都很大，则Cf（1+A）>>（Ca+Cc+Cf）

于是采用可变电容Cf，选择范围在100~10000pF

为了提高放大器的稳定性，一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf（约1010～1014Ω），以提供直流反馈。第35页，课件共41页，创作于2023年2月电荷放大器突出的优点是：

在一定条件Cf（1+A）>>（Ca+Cc+Cf）下，传感器的输出电压、灵敏度与电缆长度无关。第36页，课件共41页，创作于2023年2月第三节压电式传感器的应用举例1.压电式加速度传感器第37页，课件共41页，创作于2023年2月2.压电式压力传感器第38页，课件共41页，创作于2023年2月思考题：

１.压电元件传感器为什么不能测量静态量，只能测动态量？２.压电元件传感器的负载为什么是无穷大？３.前置电压放大器的作用是什么？

４.电荷输出型测量电路的主要优点有哪些？第39页，课件共41页，创作于2023年2月再见！武汉理工大学自动化学院第40页，课件共41页，创作于2023年2月

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