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1、物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors 主讲：王殿生 教授 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 第六章 作 业 第二版教材113页： 练习题：6-1，6-4，6-5 第三版教材111页： 练习题：6-1，6-4，6-5 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 第六章 压电式传感器 uu压电式传感器的定义压电式传感器的定义 利用压电材料的压电效应，实现机械能与电能相互转换的利用压电材料的压电效应，实现机械能与电能相互转换的 传感器。
2、传感器。 uu压电式传感器的感测量压电式传感器的感测量 动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方 面应用广泛。面应用广泛。 uu压电式传感器的种类压电式传感器的种类 根据工作原理：根据工作原理：正压电效应型和逆压电效应型。正压电效应型和逆压电效应型。 压电压电 效应效应 被测非电量被测非电量 电压值电压值 测量测量 电路电路 UU、I I 电荷值电荷值 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 第六章 压电式传感器 压电加速度计 压电陶瓷超声换能器 压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电警号 物理科学与技术学院 王殿生
3、制作 EXIT 传感器原理及应用 6.1 压电效应 6.2 压电材料 6.3 压电式传感器等效电路 6.4 压电式传感器测量电路 6.5 压电式传感器应用 第六章 压电式传感器 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 一、压电效应的基本概念 6.1 压电效应 1、正压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用 时，会产生变形，同时内部产生极化现象 ，在这种材料的两个表面产生符号相反的 电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带 电的状态，这种现象称为压电效应。 F F F F F=0F=0 F F F F 当作用力方向改变时，电荷极性也 随之改变。 这种机械能转化为电能的现象称为
4、“正压电效应”或“顺压电效应”。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 一、压电效应的基本概念 6.1 压电效应 2、逆压电效应 当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上 产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失。 这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸 缩效应”。 压电元件 机械能 电能 应力 应变 电荷 电场 3、压电效应的特点 （1）压电效应具有可逆性 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 一、压电效应的基本概念 6.1 压电效应 3、压电效应的特点 （2）具有瞬时性 当力的方向改变
5、时，电荷 的极性随之改变，输出电压的 频率与动态力的频率相同。 （3）具有不稳定性 当动态力变为静态力时， 电荷将由于表面漏电而很快泄 漏、消失。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 二、压电效应的基本原理 6.1 压电效应 压电单晶体： 石英(包括天然石英和人造石英 )、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾 钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾 、硫酸锤等)。 常见的压电材料可分为两类： 压电单晶体和多晶体压电陶瓷。 多晶体压电陶瓷： 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系 压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷等。 天然石英 压电陶瓷 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传
6、感器原理及应用 二、压电效应的基本原理 6.1 压电效应 天然石英晶体，结构形状为 一个六角形晶柱，两端为一对称 的棱锥。 在晶体学中，用三根互相垂 直的轴建立描述晶体结构形状的 坐标系。 纵轴Z称为光轴，通过六棱 线而垂直于光铀的X铀称为电轴， 与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂 直于六棱柱体的棱面)称为机械轴 。 1、石英晶体压电效应 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其 晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情 况下呈现电性。 二、压电效应的基本原理 6.1 压电效应 1、石英晶体压电效应 纵向压电效应
7、：沿电轴(X轴)方向的作用力产 生的压电效应。 横向压电效应：沿机械轴(Y轴)方向的作用力 产生的压电效应 切向压电效应：沿相对两棱加力时产生的压电 效应。 沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。 压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 二、压电效应的基本原理 6.1 压电效应 石英晶体具有压电效应，由内部分子 结构决定的。 一个单元组体中，构成石英晶体的硅 离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的 投影，等效为一个正六边形排列。“”代 表硅离子Si4+，“”代表氧离子O2-。 2、石英晶体压电效应的微观机理 x x y y +
8、+ x x y y + + + +- - - - - - 当石英晶体未受外力作用时，正、负 离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三 个互成120夹角的电偶极矩为P1、P2、P3。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 二、压电效应的基本原理 6.1 压电效应 因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之 间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶 极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P30 晶体表面不产生电荷，呈电中性。 2、石英晶体压电效应的微观机理 当晶体受到沿x方向的压力（Fx0 F Fx x =0=0 x x y y + + P P1 1 P P2 2 P P3 3 -
9、- - - + + + + - - F Fx x 00 y y x x + + + + + + F Fx x F Fx x P P2 2 P P3 3 P P1 1 + + + + + + - - - - + + 当晶体受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用时，电偶极矩P1增大， P2 、 P3减小，在x、y、z三个方向上的 分量为 (P1+P2+P3)y 1。根据 Uim()的表达式，在理想情 况下输入电压幅值为 输入等效电路 放大器输入端电压幅值为 输入电压和作用力之间相位差为 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 一、电压放大器（阻抗变换器） 6.4 压电式传感器测量
10、电路 1、电压放大器电路原理 输入等效电路 （1）压电传感器不能测量静态物理量。 （2）当1时（工程中认为3可满足要求），输入电压与 信号频率无关。 优点：时间常数一定时，高频响应特性好。 缺点：低频响应差。提高低频响应的办法是增大时间常数，即 增大电容或提高输入电阻。 前置放大器输入回路的时间常数为 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 一、电压放大器（阻抗变换器） 6.4 压电式传感器测量电路 2、传感器电压灵敏度 前置电路要有高输入阻抗： 因为传感器电压灵敏度与电容成反比， 所以提高低频响应的办法只能是增大前置输 入回路电阻，这样导致电压放大器响应差。 压电式传感
11、器的电压灵敏度为 因此，要求电压放 电器前置电路具有高输 入阻抗。 前置电压放电器采 用高输入阻抗的运算放 大器，具有阻抗变换的 作用。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 一、电压放大器（阻抗变换器） 6.4 压电式传感器测量电路 从传感器的输出电压和电压灵敏度可 见，连接电缆的分布电容Ce影响传感器输出 电压和灵敏度，使用时更换电缆就要求重 新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感 ，这是电压放大器的缺点。 因此，压电传感器 与前置放大器之间连接 电缆不能随意更换，否 则将引入测量误差。 解决电缆分布电容 的影响和低频响应差的 缺点可采用电荷放大。 2、传感器电压灵敏
12、度 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故 可等效成略去Ra和Ri并联电阻的 电路。 二、电荷放大器 6.4 压电式传感器测量电路 电荷放大器是一种输出电压 与输入电荷量成正比的前置放大 器。利用电容作反馈元件的深度 负反馈的高增益运放。 通常A=104108，当满足 (1+A)CrCa+Cc+Ci时，则有 1、电荷放电器输出电压 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 反馈电容Cr折合到放大器输 入端的有效电容为(1+A)Cr。电荷 放大器的输出电压为 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 二
13、、电荷放大器 6.4 压电式传感器测量电路 电荷放大器输出电压 2、电荷放电器的特点 （1）电荷放大器的输出电压 只取决于输入电荷与反馈电容，与 电缆电容无关，且与电荷成正比。 （2）采用电荷放大器时，即 使连接电缆长度在百米以上，灵敏 度也无明显变化，这是电荷放大器 的最大特点。 （4）为了得到必要的测 量精度，要求反馈电容Cr的温 度和时间稳定性都很好。在实 际电路中，考虑到不同的量程 等因素，Cr的容量做成可选择 的，范围一般为102104pF。 （3）电路复杂，价格昂贵。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 6.1 压电效应 6.2 压电材料 6.3 压电式传
14、感器等效电路 6.4 压电式传感器测量电路 6.5 压电式传感器应用 第六章 压电式传感器 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 6.5 压电式传感器应用 压电式传感器主要测量动态 力、机械冲击和振动，在声学、医 学、力学、导航方面应用广泛。 1、压电式力传感器 压电式单向测力传感器的结 构，主要由石英晶片、 绝缘套、 电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件，外 缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用 时，产生弹性变形，将力传递到石 英晶片上。利用压电效应，实现力 电转换。 石英晶片的尺寸为81mm 。该传感器的测力范围为050N ，最小分辨率为0.01N，固有频
15、 率为5060 kHz，整个传感器重 为10 g。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 6.5 压电式传感器应用 2、压电式加速度传感器 压电式加速度传感器的结构，主要由压 电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等 组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以 固定。 当压电式加速度 传感器和被测物一起 受到冲击振动时，压 电元件受质量块惯性 力的作用。 惯性力作用于压 电元件上，产生电荷 。输出电荷与加速度 成正比。 因此，根据加速 度传感器输出电荷便 可知加速度的大小。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 6.5 压电式传感器应用 3、压电式声传
16、感器 当交变信号加在压电陶瓷 片两端面时，因压电陶瓷的逆压 电效应，陶瓷片会在电极方向产 生周期性的伸长和缩短，产生振 动发射声波。 如果换能器中压电陶瓷的振荡 频率在超声波范围，则发射或接收 的声频信号即为超声波。这样的换 能器称为压电超声换能器。 铝头铝头 螺钉螺钉 黄铜尾部黄铜尾部 压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环 当一定频率的声频信号加 在压电陶瓷片上时，压电陶瓷片 受到外力作用而产生压缩变形， ，压电陶瓷上因正压电效应出现 充、放电现象，声频信号转换成 交变电信号，接收声频信号。 物理科学与技术学院 王殿生 制作 EXIT 传感器原理及应用 6.5 压电式传感器应用 4、压电式流量计 超声波流量计： 压电超声换能器 每隔一段时间（如 1/100s）发射和接收互 换一次。 在顺
