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1、,第八章 压电式传感器,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。,工作原理：基于压电效应，是一种典型的有源传感器，即发电型传感器。 特点：使用频带宽、灵敏度高、机械阻抗大、信噪比高、工作可靠、测量范围广。,某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变； 这种现象称压电效应。,8.1.1
2、 压电效应,8.1 压电效应及压电材料,压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。又称电致伸缩效应。 所以压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能。,8.1.2 压电材料,一、压电晶体（石英）,1.晶面和晶轴,z轴：光轴，中性轴； x轴：电轴，垂直于此轴的 晶面上的压电效应最强； y轴：机械轴，在电场作用 下机械变形最明显。,晶面：六角晶系,30个晶面,晶轴：x,y,z三个方向,X切,x切型:厚沿x;长沿y;宽沿z;,2.切型,y切型:厚沿y;长沿x;宽沿z.,3.微观分析,(1)无外力作用时:Si4+与O2-
3、对称分布,电偶极矩的矢量和为零,(2)有外力作用时:,x方向受力：,P1减小，P2,P3增大。 矢量和从A指向B.,y方向受力：,P1增大，P2,P3减小。 矢量和从B指向A.,1,2,q1=d111,q1=d122 =-d112,4.石英晶体的压电常数矩阵,只有d11和d14是独立的。,只有在1 ,2 ,4 作用下， 才能在垂直于x的晶面上产生电荷q1。,只有在5 ,6 作用下， 才能在垂直于y的晶面上产生电荷q2。,q1=d144,4:垂直于x方 向的剪应力,6:垂直于z方 向的剪应力,q2=d266=-2 d116,5.石英晶体的优越性能,稳定，机械强度高,二.压电陶瓷,1.压电陶瓷的极
4、化,压电常数大，制造方便。,极化：2030kV/cm场强,2 3 h。,未极化,极化中,极化后,电畴取向,不加外力：束缚电荷吸 引自由电荷，电中性。,加外力：电畴偏转，极 化强度变小，释放部分 自由电荷，压电效应。,2.压电陶瓷的种类,(1)一元系压电陶瓷,钛酸钡,(2)二元系压电陶瓷PZT,锆钛酸铅,(3)三元系压电陶瓷PMN,铌镁酸铝,3.高分子有机压电薄膜,PVF2:聚二氟乙烯,PVF:聚氟乙烯,PVC:聚氯乙烯,对压电材料的要求,1）转换性能：具有较大的压电常数； 2）机械性能：希望强度高、刚度大，线性范围宽、固有频率高； 3）电性能：希望电阻率高、介电常数大； 4）温度和湿度稳定性要
5、好； 5）时间稳定性。,纵向压电效应： 沿x轴方向施加作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象。,横向压电效应： 沿y轴方向施加作用力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象。,1.压电晶体,8.2 压电常数和表面电荷的计算,压电元件受到力F作用时，在相应的表面上产生电荷 压电常数,i=1,2,3:晶体极化方向 电荷微观移动方向,j:法向或切向应力及方向 =1,2,3:沿x,y,z单向（拉压）应力； =4,5,6:在垂直于x,y,z方向上的剪切应力,q:晶体表面电荷密度,dij反映了压电晶体的弹性应变 与其压电特性之间的耦合关系。,各晶面电荷面密度,dij的物理意义：在“短路条件”下，单位应力所
6、产生的电荷密度。短路条件是指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在“二次效应”。,8.3 压电式传感器等效电路,当压电元件受力时，相当于一个电荷源，又相当于一个以压电材料为介质的电容器。,因此，压电式传感器有两种等效电路,压电式传感器与测量仪表连在一起后的完整等效电路：,(a) 电荷等效电路,(b) 电压等效电路,Q传感器的等效电荷;Ca传感器的等效电容;Ra传感器的等效电阻; U传感器的等效电压;Cc连接电缆的等效电容;Ri放大器的输入电阻; Ci放大器的输入电容,8.4 压电式传感器的信号调节电路,种类：1. 电压放大器 2. 电荷放大器,前置放大器作用： 1. 将
7、压电式传感器的微弱信号放大 2. 将传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出,8.4.1. 电压放大器,电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输入阻抗变换为传感器的低输出阻抗；并保持输出电压与输入电压成正比,电压灵敏度：,其中：,电压放大器的优点：电路可做得简单，成本低，工作可靠。 电压放大器的缺点：Sv受Cc的影响。 解决C影响的办法：1）缩短电缆； 2）用下面介绍的电荷放大器电路。,8.4.2 电荷放大器,输出电压与输入电荷成正比；能将高内阻的电荷源，转换为低内阻的电压源。,作用：1）能将高内阻的电荷源，转换为低内阻的电压源。 2）输出电压与输入电荷成正比。,电压输出表达式：,突出
8、优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆电容无关。,8.5 压电式传感器的应用,特点：具有良好的高频响应特性、量程大、结构简单、 工作可靠、安装方便,8.5.1 压电式加速度传感器,1.结构,2.工作原理,当传感器感受振动时，质量块就有一正比于加速度a的惯性力F=ma作用于压电元件上。由于压电效应，在压电片表面上就产生与加速度a成正比的电荷Q或电压U，通过测量电压或电荷得到被测加速度a。,提高传感器灵敏度，多采用较大压电常数的材料或多晶片组合的方法。,8.5.2 压电式测力传感器,分类：单向力、双向力、三向力,压电式玻璃破碎报警器,压电式传感器的误差,2、环境影响 3、电缆噪声 4、接地回路噪声,1、横向灵敏度的影响,8.5 压电式传感器小结,1、压电式传感器的工作原理 1）压电效应 2）压电常数 3）压电效应产生的机理 2、压电传感器的等效电路 3、信号调节电路： 1）电压放大器 2）电荷放大器 4、压电传感器的误差来源与解决的办法,
