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1、5.3 发电式传感器的信号获取与调理5.3 发电式传感器的信号获取与调理前面我们主要讲了电参数式传感器， 即被测量的变化首先通过敏感元件转换为 电参数的变化，然后利用相应的后续电路 将电参数转换为信号。所谓发电式传感器 ，是指将被测量直接转换为电信号的传感 器。15.3 发电式传感器的信号获取与调理5.3.1 压电式传感器Piezoelectric Sensors25.3 发电式传感器的信号获取与调理概述压电式传感器是一种发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷， 从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理
2、量，例如动态力、动态压力、振动加速度等 ，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定 性高。 35.3 发电式传感器的信号获取与调理正压电效应（顺压电效应）某些电介质，当沿着一定方 向对其施力而使它变形时，内 部就产生极化现象，同时在它 的一定表面上产生电荷，当外 力去掉后，又重新恢复不带电 状态的现象。当作用力方向改 变时，电荷极性也随着改变。 输出电压的频率与动态力的频 率相同；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。1压电效应(Piezoelectric-effect)压电效应演示
3、45.3 发电式传感器的信号获取与调理逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方 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 或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：式中，qii面上的电荷密度(Ccm2)；Qii面上的总电荷量（C ）；jj方向的应力(Ncm2)；Fjj方向的作用力；dij压电 常数(CN)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。55.3 发电式传感器的信号获取与调理压电方程中两个下标的含义如下：下标i表示晶体的极 化方向，当产生电荷的表面垂于x轴(y
4、轴或z轴)时，记 i=1(或2，3)。下标j=1或2，3，4，5，6，分别表示沿x 轴、y轴、z轴方向的单向应力，和在垂直于x轴、y轴 、z轴的平面（即yz平面、zx平面、xy平面）内作用的 剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正 ，压应力为负；剪切力的符号用 右螺旋定则确定，如图中表示的 方向。此外，还需要对因逆压电 效应在晶体内产生的电场方向也 作一规定，以确定dij的符号，使得 方程组具有更普遍的意义。当电 场方向指向晶轴的正向时为正， 反之为负。 65.3 发电式传感器的信号获取与调理晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由 下列方程组决定：式中，q1、q2、q3垂直于x轴、y轴、z
5、轴的平面上的电荷面 密度； 1、2、3沿着x轴、y轴、z轴的单向应力； 4、5、6垂直于x轴、y轴、z轴的平面内的剪切应力； dij(i1，2，3，j1，2，3，4，5，6)压电常数。75.3 发电式传感器的信号获取与调理天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可 用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正 六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴(electrical axis) ； 与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面） 称为机械轴。ZXY(a)(b)(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴XX方向的力作 用下产生电荷的压电效应
6、称为 “纵向压电效应”，而把沿机械 轴YY方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为“横向压电 效应”，沿光轴ZZ方向受力 则不产生压电效应。2 压电材料和它的主要特性2.1 石英晶体 1石英晶体的压电效应压电材料包括：压电晶体和压电陶瓷前者为晶体；后者为激化后的多晶85.3 发电式传感器的信号获取与调理石英晶体天然形成的石英晶体外形95.3 发电式传感器的信号获取与调理从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它 的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面 用真空镀膜或沉银法得到电极面。ZYXbl石英晶体切片h双面镀银并封装105.3 发电式传感器的信号获取与调理在晶体线性弹性范围
7、内，极化强度PX与应力X成正比，即式中, FXX轴方向的作用力；d11压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也 不同，石英晶体d11=2.310-12CN-1；l、b石英晶片的长度和宽度。当晶片受到沿X轴方向的压缩应力X作用时，晶片将产生 厚度变形,即纵向压电效应（Thickness expansion) ，并发生极 化现象。式中 qX垂直于X轴平面上的电荷。极化强度PX在数值上等于晶面上的电荷密度，即 115.3 发电式传感器的信号获取与调理将上两式整理，得式中 电极面间电容。 其极间电压为根据逆压电效应，如在X轴方向上施加强度为EX的电场，晶体 在X轴方向将产生伸缩，即：t=d11UX
8、或用应变表示，则125.3 发电式传感器的信号获取与调理综上所述，在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出 现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。 FXFX+ + + + + +(a)(b)XX注：按前述坐标系为左旋石英晶体，右旋石英晶体 的结构 与左旋石英晶体成镜像对称，压电效果极性相反。135.3 发电式传感器的信号获取与调理如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，则为横向压 电效应（Transverse expansion)，其电荷仍在与X轴垂直平面上出 现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为 + + + +
9、+ + + (c)(d)FYFYXX根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为式中 h晶片厚度。则其极间电压为： 式中 d12石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。145.3 发电式传感器的信号获取与调理根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩变形，即或用应变表示:由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或 电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在 逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 155.3 发电式传感器的信号获取与调理2.2 压电陶瓷1压电陶瓷的压电效应当作用力沿极化方向时，在极 化面上出现电荷：d33压电陶瓷
10、的纵向压电常数。 当作用力垂直极化方向时，在极化面上出现电荷：式中，Sx极化面的面积；Sy受力面的面积 165.3 发电式传感器的信号获取与调理2压电陶瓷压电效应产生的机理压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料 ，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形 成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外 电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相 互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 175.3 发电式传感器的信号获取与调理但是，
11、当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却 无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化 强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束 缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷 片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与 陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶 瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的 极化程度，如图。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图185.3 发电式传感器的信号获取与调理如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶 瓷片将产生压缩
12、形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间 的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由 电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶 瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距 离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转 变为电能的现象，就是正压电效应。 极化方向正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）F 195.3 发电式传感器的信号获取与调理同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图， 由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化
13、强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就 是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如 果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩 短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机 械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况） 极化 方向电场方向205.3 发电式传感器的信号获取与调理由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存 在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后 ，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场 的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压
14、电效应。此外 ，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷 ，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电 现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷 的释放或补充的结果。压电陶瓷外形215.3 发电式传感器的信号获取与调理3 压电元件的常用结构形式5.3.1 压电元件的基本变形方式 1.对能量转换有意义的石英晶体变形方式： (1)厚度变形（TE方式）：利用石英晶体的纵向压电效应Qx=d11Fx 或 qx= d11x(2)长度变形（LE方式）：利用石英晶体的横向压电效应Qy=d12FySxx /Syy 或 qx= d12y 225.3 发电式传感器的信号获取
15、与调理(3)面剪切变形（ FS (Face shear)方式）： qx= d14yz (X切晶体)qy= d25xy (Y切晶体)(5)弯曲变形 （BS (Bending shear)方式）：(4）厚度剪切变形（TS (thickness shear)方式）： qy= d26 xy (Y切晶体)(a)厚度变形 (b)长度变形 (c)面剪切变形 (d)厚度剪切变形 (e)体积变形235.3 发电式传感器的信号获取与调理由于x=y=z= ，且d31=d32 ，所以： qx=(2d31+d33)2.压电陶瓷的变形方式(1)厚度变形（TE方式）： Q=d33F(2)长度变形（LE方式）：Q=-d32FSX/SY=-d31FSX/SY(3)体积变形方式（VE :volume expansion方式）：qx= d31x+ d32y + d33z245.3 发电式传感器的信号获取与调理3.2 压电元件的结构形式（a）压电晶片的并联 （b）压电晶片的串联并联:Q串=Q，U串=
