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1、第6章 压电式传感器,压电式传感器是一种有源 的双向 机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。,下页,返回,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,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
2、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,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,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,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。,下页,上页,返回,6.1.1
3、石英晶体的压电效应,图6-2 石英晶体的晶轴,X轴电轴； Y轴机械轴； Z轴光轴；,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,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）,下页,上页,返回,6.1.2 压电陶瓷的压电效应,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，
4、不具有压电性质。,图6-4 压电陶瓷的极化过程和压电原理图,下页,上页,返回,6.1.3 压电方程与压电系数,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,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：,6.2 压电材料,下页,上页,返回,对压电材料的要求： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受
5、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； 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； 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； 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。,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,多晶体（压电陶瓷） 钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜
6、，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。,下页,上页,返回,表6-1 常用压电材料性能参数,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 -
7、 压电材料相对介电常数 0 - 真空介电常数 - 压电元件厚度,下页,上页,返回,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,图6-8 压电式传感器测试系统的等效电路,下页,上页,返回,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
8、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,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,图6-9 电压放大器的简化电路图,下页,上页,返回,下页,上页,返回,电压输出型压电传感器测量电路,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
9、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,下页,上页,返回,图6-11 电荷放大器等效电路,图6-12 电荷放大器原理框图,下页,上页,返回,下页,上页,返回,电荷输出型压电传感器测量电路,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,下页,上页,返回,图6-13 压电式单向测力传感器,下页,上页,返回,图6-14
10、 压电式压力传感器,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,下页,上页,返回,图6-16 压电式加速度传感器结构原理图,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,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
11、，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,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，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。 6.6.6 接地回路噪声 在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。,下页,上页,返回,此外还存在有声场效应、磁场效应及射频场效应、基座应变效应等因素。,第6章 本章要点,结束,上页,返回,压电传感器的工作原理（横向、纵向压电效应） 压电晶体与压电陶瓷的特点 压电元件的结构形式 压电传感器的等效电路 电压和电荷放大器的等效电路及特点 压电传感器的主要应用,
