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1、2019/5/6,1,一、压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。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。,2019/5/6,2,（一）压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正
2、比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,2019/5/6,3,当力的方向改变时，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；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。,2019/5/6,4,二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料有许多： 主要有压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料，另外还有水溶性和铌酸锂压电晶体及压电半导体。 1、石英晶体,2019/5/6,5,天然形成的石英晶体外形（续）,20
3、19/5/6,6,石英晶体薄片,双面镀银并封装,石英晶体切片及封装,2019/5/6,7,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,2019/5/6,8,2、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。,2019/5/6,9,压电陶瓷外形,2019/5/6,10,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,2019/5
4、/6,11,3、高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,2019/5/6,12,高分子压电薄膜及拉制,2019/5/6,13,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,2019/5/6,14,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2019/5/6,15,压电式脚踏报警器,2019/5/6,16,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,
5、压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提高输出电压，并联可提高输出电荷。,2019/5/6,17,二、测量电路 1、传感器等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它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，0为真空介电常数：为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。,2019/5/6,18,因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为个电压源，如下图b所示。 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra
6、。,a)电荷源 b)电压源,2019/5/6,19,2、基本测量电路 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。,2019/5/6,20,（1）电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a所示。图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大器输入电压； C=CC+Ci； ；ua=Q/Ca。 如果压电传感器受力为:F=Fmsint ；则在压电元件上产生的电压为,a) b
7、),2019/5/6,21,而在放大器输入端形成的电压为 当1时，放大器的输入电压为,2019/5/6,22,（2）电荷放大器 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。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中C为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。,2019/5/6,23,如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf 式中，A为开环放大系数。所以有,2019/5/6,24,故放大器的输出电压为 当A1，而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示为,2019/5/6,25,四通道电荷放大器外形,.,2019/5/6,26,上图所示的四通道电荷放大器指标,灵 敏 度：0.11000mV/pC 频率范围：0.3100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V 准 确 度：1% 最大输出：10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动,2019/5/6,27,超小型电荷放大器模块,主要指标: 灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：5V或10V 电 源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统,
