《传感器与检测技术》课件-2.2压电式传感器

《传感器与检测技术》项目二能屈能伸——力的测量2.2压电式传感器Co

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01压电效应及压电材料02压电式传感器的测量电路03压电式传感器的应用01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY压电效应及压电材料一、压电效应

某些晶体（如石英）当沿着一定方向受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部产生极化现象，同时在晶体的某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。这一现象称为“正压电效应”。反之，若将这些晶体置于电场之中，其几何尺寸也会产生几何变形，这种在外电场作用下，导致晶体产生机械变形的现象称为“逆压电效应”。图2.2.1正压电效应原理图二、压电材料

1.压电材料的主要特性参数（1）压电系数d：压电体把机械能转变成电能或把电能转变成机械能的转变系数，反应压电材料弹性性能与介电性能之间的耦合关系。（2）相对介电常数εr:介电常数ε与真空介电常数ε0之比值，它是一个无因次的物理量。（3）机械品质因数Qm:压电振子在谐振时储存的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比,它是衡量压电材料电能转换效率的一个重要参数。

二、压电材料

2.压电材料的种类（1）无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，石英是一种天然单晶体，属于压电晶体；钛酸钡、锆钛酸铅是一种人工合成的多晶体属于压电陶瓷。（2）有机压电材料，又称压电高聚物。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。（3）复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。三、石英晶体的压电效应

石英晶体是—种性能良好的压电晶体，它具有性能稳定、自振频率高、动态相应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。但石英晶体的压电常数较小，介电常数很低，但稳定性很高，机械品质因子高，—般用来制作成标准传感器、高精度传感器和使用温度较高的传感器。a.晶体外形b.切割方向c.晶体切片

图2.2.2石英晶体三、石英晶体的压电效应

当沿着x轴对晶片施加力时，将在垂直于x轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力时，电荷仍出现在与x轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着z轴方向受力时不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。纵向压电效应产生的电荷为：d11——为x方向受力的压电系数

四、压电陶瓷的压电效应

陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，它有—定的极化方向，原始的压电陶瓷由于内部各个电畴无规则排列，极化效应抵消，因此不具有压电效应，如图6.8(a)所示。当外加直流电场时，使得电畴规则排列，这时压电陶瓷就有了压电特性，如图6.8(b)所示。在极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化，如图6.8(c)所示。极化过的压电陶瓷受外力作用时，其表面能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。

(a)(b)(c)a.未极化b.极化中c.极化后图2.2.3压电陶瓷的极化过程02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY压电式传感器的测量电路一、压电传感器的常用结构形式

由于单片压电元件产生的电荷量很小，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常把两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种。

(a)(b)a.串联接法b.并联接法图2.2.4压电元件的串联与并联二、压电传感器的等效电路与测量电路

压电传感器可以等效为—个与电容相并联的电荷源或者是—个与电容相串联的电压源。

(a)(b)ａ.电压源ｂ.电荷源图2.2.5压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路与测量电路

在实际应用中，压电传感器总是与测量仪器或测量电路相连接，因此还需要考虑连接电缆的电容Cc、放大器的输入电阻Ri和放大器的输入电容Ci等，压电传感器的实际等效电路。

(a)(b)ａ.电压源ｂ.电荷源图2.2.6压电传感器的实际等效电路二、压电传感器的等效电路与测量电路

压电传感器具有内阻抗很高，而输出信号微弱的特点。因此要求测量电路的前级放大器有足够高的阻抗，防止电荷迅速泄露，并且要完成信号放大。接入高输入阻抗的前置放大器其作用为：一是把传感器的高输入阻抗（一般1000M以上）变换为低输入阻抗（小于100）；二是对传感器输出的微弱信号进行放大。二、压电传感器的等效电路与测量电路

当

时，放大器的输入电压为：(a)(b)

ａ.放大器电路ｂ.等效电路

图2.2.7电压放大器电路

（1）电压放大器

压电元件受到交变力F=Fmsin

t的作用，在放大器输入端形成的电压为：二、压电传感器的等效电路与测量电路

放大器输入电压幅值与被测频率无关。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而引起放大器的输入电压也发生变化。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如果改变电缆长度，则必须重新校正电压灵敏度。由上式还可以得出：当作用于压电元件力为静态力（=0）时，则前置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力测量。压电材料只有在交变力的作用下，电荷才可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，所以适合于动态测量。

（1）电压放大器

二、压电传感器的等效电路与测量电路

（2）电荷放大器

电荷放大器等效电路如图6.8所示，由于放大器的输入阻抗很高，如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，其输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf

u0=-AQ/Ci+Cc+Ca+(1+A)Cf

当A>>1，而时，放大器输出电压可以表示为：

图6.8电荷放大器等效电路03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY压电式传感器的应用一、压电式加速度传感器

它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、机座及外壳等组成。压电元件由两片压电晶片组成，在压电片上放置—比重大的质量块，质量块采用金属钨或比重大的合金制成。为了消除质量块与压电元件之间及压电元件本身因加工粗糙造成的接触不良等因素，利用弹簧、螺栓和螺母对质量块预加载荷。

1.外壳；2.质量块；3.基座；4.螺栓；5.压电元件；6.预压弹簧图2.2.9压电式加速度传感器的结构图二、压电式单向测力传感器

主要由压电晶片、绝缘套、电极、上盖和基座等组成。传感器上盖为传力元件，当外力作用时，将产生弹性变形，将力传递到两片并联的压电晶片上，产生电荷，负电荷由中间电极输出，正电荷直接与基座连接输出。

1.石英晶片；2.上盖；3.基座；4.电极；5.绝缘套图2.2.10压电式单向测力传感器的结构图三、玻璃破碎报警器

使用时，将探测器贴在门窗玻璃上，当玻璃遭到暴力打碎的瞬间，压电陶瓷感受到