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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 第6章 压电式传感器 6.1压电转换元件的工作原理-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 本章要点 下页上页返回 6.1 压电转换元件的工作原理 某些晶体或多晶陶瓷，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
2、电荷量与外力的大小成正比。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 6.1 压电转换元件的工作原理 |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。 |但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 压电转换元件的工作原理 |压电方程和
3、压电常数矩阵 |压电效应 正压电效应某些晶体或多晶陶瓷受到外 力作用时，内部就产生极化现象，表面上产 生符号相反的电荷的现象； 逆压电效应如对晶体施加一定电场，晶 体本身将产生机械变形的现象。 下页上页返回 6.1 压电转换元件的工作原理 |天然石英晶体的结构外形 光轴( Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射 现象,且无压电效应； 电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著; 机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最 大。 下页上页返回 6.1 压电转换元件的工作原理 |压电方程压电效应的数学表达式 压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小 成正比。
4、精确表达式 式中：dij是压电常数，单位为(C/N)； Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2); i是单位面积上的作用力（应力）， 单位为(N/cm2）。 下页上页返回 6.1 压电转换元件的工作原理 |压电常数矩阵： 下页上页返回 |一般情况下压电方程： 6.1 压电转换元件的工作原理 |石英晶体压电效应机理： 下页上页返回 6.1 压电转换元件的工作原理 下页上页返回 |单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz ）， 只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx， Fy有关： (1)P1 0， P2= P3= 0, (当只有Fx或Fy时)： d11=-d12 0, d21=d31=0, d22=d
5、32=0; (2)P1= P2= P3= 0, (当只有Fz时)： d13=d23=d33=0; 6.1 压电转换元件的工作原理 下页上页返回 |剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D 上出现电荷： (3) P1 0， P2= P3= 0, (当只有4时,使晶体在x 方向有伸缩,等效有1作用)： d14 0, d24=d34=0; (4) P2 0， P1= P3= 0, (当只有5、6时,改变 了晶体在y方向无电荷的状况)： d25 0, d26 0, d15=d35=0, d16=d36=0; 6.1 压电转换元件的工作原理 下页上页返回 |压电常数矩阵： 对石英晶体 6.1 压电转换元件
6、的工作原理 下页上页返回 |压电陶瓷压电效应机理 压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体 。 多晶：由无数细微单晶组成； 铁电体：具有电畴结构； 电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。 6.1 压电转换元件的工作原理 下页上页返回 |极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴”规 则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材料 表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形 成压电陶瓷。 |压电常数矩： 注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。 6.1 压电转换元件的工作原理 下页上页返回 |单向应力的压电方程表达 其中，P=Q/S， =F/S （S为作用面的面积）， 压电陶瓷与石英晶体比较
7、 压电陶瓷效果显著。 6.2 压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面： 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。 下页上页返回 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
8、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-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 Ra是压电元件的漏电阻 6.3 等效电路 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；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。其中Ra为压电元件的漏电阻。 下页上页返回 6.3 等效电路 压电式传感器的灵敏度 电压灵敏度：单位力产生的电压； 电荷灵敏度：单位
9、力产生的电荷； ， 。 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 6.4 测量电路 下页上页返回 Ri、Ci、Cc分别为放大器的输入电阻、输入电容和 电缆线的电容 电压放大器和电荷放大器： 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 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。 下页上页返
10、回 其中 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 以压电陶瓷为例 设压电陶瓷受到交变外力F1作用 下页上页返回 用复数表示放大器的输入电压 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 电压Ui的幅值 电压Ui与作用力之间的相位差： 下页上页返回 令 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 得 下页上页返回 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 电压电压幅值比和相角与频率比的关系曲线 从曲线知 =0 ，Um=0，电荷被泄漏，压电式 传感器不能测量静态量(灵敏度下降)； 31, Um与作用力的频率无关, 高频响应非常好; 下页上页返回 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 电压灵敏度 下页上页返回
11、 由此可知：要扩大低频响应范围, 必须增加R(而不 是C)来增加测量回路的时间常数=R(C+Ca),否则, 电压灵敏度kU下降; 6.4 测量电路 6.4.1电压放大器 电压当R1时, 说明：放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自 身电容,电缆线电容有关。更换电缆需重新标定系 统灵敏度。 下页上页返回 6.4 测量电路 6.4.2电荷放大器 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 测量电路 6
12、.4.2电荷放大器 特点：消除电缆分布电容的影响；具有深度电 容负反馈的高增益运算放大器。 电路简化：忽略Ri，Ra（ ），运放的K 足够大,高频忽略RF ； (低频时RF不能忽略)。 下页上页返回 6.4 测量电路 6.4.2电荷放大器 输出U0可以简化 下页上页返回 注意到(1+K)CF(CC+Ca+Ci), 6.4 测量电路 6.4.2电荷放大器 下页上页返回 特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q，输出灵 敏度不受电缆分布电容的影响;(2) 适用于高 频(gFjCF); 低频时输出(RF不能忽略) 6.4 测量电路 下页上页返回 6.4.2电荷放大器 特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q;(2)输出电压与 反馈回路参数有关（ CF ， RF ）; 当RF=1/CF 时，其幅值为理想值的 倍， 此时，增益下降3db，即为下限频率处： fL可以通过CF， RF来调整， 低频响应好 。 6.5 压电式传感器的应用举例 下页上页返回 压电式压力传感器 特点：压电元件并联使用 第6章 本章要点 |压电效应 石英晶体的压电效应 压电陶瓷的压电效应 高分子材料的压电效应 |等效电路 |测量电路 结束上页返回
