传感器原理及应用(第3版)-王华翔-第5章-压电式传感器概要.ppt

1、第5章 压电式传感器,电阻、电容、电感式传感器是无源器件，需要外加电源才 能产生电信号输出。 压电式传感器是有源的自发电型传感器，在被测量（如力） 作用下，能够产生静电电荷或电压。 特点：测量频带高、灵敏度高、结构简单，工作可靠。,燃气灶点火装置,潜艇声纳（换能器）：能够接受声波信号，并转换为电信号,第1节 压电效应,压电效应,某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使它变形，在 它的两个表面产生符号相反的电荷；当外力去掉后，重新 恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。 在电介质的极化方向施加电场，这些电介质会发生变形， 这种现象称为逆压电效应。,具有压电效应的材料称为压电材料，石英晶体、压电陶

2、瓷。,一、石英晶体的压电效应,晶体具有各向异性，需确定参考方向,X轴：经过六棱柱棱线，平分内夹角。在此轴方向施加力，在垂直该轴表面产生电荷最明显。“电轴” Y轴：垂直于六棱柱对边的轴线。在外加电场作用下，此轴方向机械形变最明显。“机械轴” Z轴：垂直于X,Y的纵轴，此方向没有压电效应。“光轴”,石英晶体（SiO2）单元结构,没有外力时，硅离子和氧离子 对称分布在正六边形顶点。,电偶极子与电偶极距 两个大小相等的正负电荷距离 很近时，称为电偶极子。 电偶极距为电量与距离的乘积 由负电荷指向正电荷,二、压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是以钛酸铅等矿物粉碎后，经1000度以上高温 烧结而得到的人工晶体。

3、,压电陶瓷内部由很多自发 极化的小电畴构成。由于 电畴排布杂乱，对外无电性。,使用前，放置到电场中进行 极化，电畴方向转向一致。 电场去除后，存在剩余极化 强度,极化后的压电陶瓷存在剩余极化强度，但为何测不出电量？,极化后的压电陶瓷表面 吸附了外界的自由电荷 中和和剩余极化强度,使用压电陶瓷时加外力， d减小，极化强度减小， 表面电荷释放，放电。 外力去除，极化强度恢复， 重新吸附电荷，充电。 机械能 电能,外加同向电场，极化强度 增大，正负电荷距离增大， 陶瓷片沿极化方向伸长。,石英晶体和压电陶瓷产生压电效应的原理不同！,石英晶体：外力导致晶体单元结构变化，正负等效电荷 中心分离，发生极化，

4、导致晶体表面出现电荷。,压电陶瓷：电畴在进行初始极化后，存在剩余极化强度， 在表面吸附了自由电荷。在受到外力时，极化强度变化， 发生充放电现象。,三、压电常数和表面电荷的定量计算,当晶片受到沿X轴方向的压缩应力 晶片厚度变形，发生极化现象，极化 强度,压电系数,同时，极化强度等于晶面上的电荷密度,晶面电荷密度,极间电压,逆压电效应：在晶体两端施加电压，形变为,第2节 压电材料,什么样的电介质适合做压电材料？,1. 具有较大的压电常数。其越大，灵敏度越高。 2. 具有良好的机械性能。要求机械强度大，弹性好， 适合力和高频测量。 3. 具有高电阻率和介电常数。电阻大，产生的电荷不易 泄露。大介电常

5、数，适合低频变量测量 4. 具有较高的居里点。当环境温度高于某材料的居里点 时，材料的压电效应消失。,第3节 压电式传感器的测量电路,一、等效电路,压电传感器在受力时，电极表面会出现电荷，且极性相反 电量相同，是一个电荷源。同时石英晶体和压电陶瓷为绝 缘体，两个表面为电极，又可以看作为电容器（有源）。,压电传感器两极板间的电压电荷关系为：,输出电量根据需要，即可以是电荷也可以是电压。,需输出电荷时，等效为 电荷源与电容并联的电 荷等效电路,需输出电压时，等效为 电压源与电容串联的电 压等效电路,测量电路对应 有：电荷放大 器电压放大器,由于外接负载电阻不可能无穷大，压电材料自身有微弱 导电性，

6、受力产生的电荷会逐渐“漏损”。必须在变化力 的作用下，电荷才会不断产生和补充。不适合测量静态 变量,考虑连接导线的等效电阻，电容；前置放大器的输入电阻 电容的完整等效电路如下：,二、测量电路,测量电路的两个作用：信号放大和阻抗匹配,电压放大器：输出电压与压电元件电压成正比,电荷放大器：输出电压与压电元件电荷成正比,（1）电压放大器,压电元件受力为,在外力作用下，压电元件电压为：,Ui为R/C后和Ca一起对Ua进行分压，得：,其幅值为：,Ui与F 的相位差为：,当作用力变化频率 很高时,，电压输出Ui与 作用力频率无关，高频特 性好！,要求电压放大器不仅对高频交变力效果好，对变化缓慢的 被测量（低频）也有好的效果，怎么办？,小，但还要求 ，减小测量电路的固有频率,即,电压放大器的灵敏度,OR,可行,增大前置放大电路的内阻Ri可以 改善传感器的低频特性。,（2）电荷放大器,电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。,等效电流,结论：电荷放大器输出 电压与电荷成正比,第4节 压电式传感器的应用,一、压电元件的串并联使用,单片压电元件产生的电荷电压很小，通常把两片或更多 片压电