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1、一、压电效应,二、压电元件,三、接口电路,四、压电式压力传感器,第8章 压电式传感器,压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础，压电效应是可逆的。因此，压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。 压电式传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等许多优点。因此在压力冲击和振动等动态参数测试中，是主要的传感器品种，它可以把加速度、压力、位移、温度、湿度等许多非电量转换为电量。 压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有左右。,一、压电效应,（一）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
2、时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，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正比，上述这种现象称为正压电效应。 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。 具有压电效应的物质很多，常用压电材料如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。,（二）石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体之一，它是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴z称光轴；经过正六面体棱线并垂直于光轴的
3、x轴称为电轴；与z轴和x轴同时垂直的y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。 将沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。,图8-1 石英晶体的外形与晶轴,当晶片在沿x轴的方向上受到压缩应力 作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶片的线性弹性范围内，极化强度 与应力 成正比，即： 式中， 为沿晶轴x方向施加的压缩力； 为压电系数，当受力方向和变形不同时压电系数也不同，石英晶体的 ； l、b 分别为石英晶片的长度和宽度。,压电系数 的下标mn的意义是：m表示产生
4、电荷的面的轴向，n表示施加作用力的轴向。在石英晶体中，下标1对应x轴，2对应y轴，3对应z轴。 极化强度 等于晶片表面的电荷密度，即： 式中， 为垂直于x轴平面上的电荷。 把 值代入 得：,由上式可以看出，当晶片受到x向的压力作用时， 与作用力 成正比，而与晶片的几何尺寸无关。 其极间电压为： 式中， 电极面间电容， S极板面积，单位为 ； h晶片厚度，单位为 m； 压电晶体的介电常数； 真空介电常数（ ）； 压电晶体的相对介电常数（4.58）。,根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即 或用应变表示，则 式中， x轴方向的电场强度。 在x轴方向施加压力时，石英晶体的x轴正向带正电；如果作
5、用力 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，电荷的极性如图8-2所示。,图8-2 晶片上电荷极性与受力方向的关系,如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与x轴垂直平面上出现，其极性见图8-2，此时电荷的大小为： 式中， 为石英晶体在y轴方向上受力时的压电系数。 根据石英晶体轴的对成条件： 则上式为： 式中，h为石英晶片厚度。,负号表示沿y轴的压缩力产生的电荷与沿x轴施加的压缩力所产生的电荷极性相反。由上式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。 则其电极间电压为 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
6、石英晶体除了有纵向、横向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。,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（或电场效应）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。,二、压电元件,（一）压电元件的连接方式 在压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料一般不只用一片而是用两片或两片以上组合在一起，称为叠层式压电组合器件。,图8-3 两压电片的连接方式,在8-3a图中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种接法称为并联。其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压，即C
7、=2C，U=U，q=2q 图8-3b的接法是正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。从图中可知，输出的总电荷q等于单片电荷q，输出电压U为单片电压口U的两倍，总电容C为单片电容C的一半，即：q=q，U=2U， C=C/2,（二）等效电路 可以把压电传感器看成一个静电发生器，也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容值为： 式中， S压电片面积； h压电片厚度； 压电材料相对介电常数； 真空介电常数( )； 压电元件的内部电容。,图8-4 压电传感器的等效电路,压电传感器在测量时要与测量电路相连接，于
8、是就得考虑于是就考虑电缆电容 、放大器的输入电阻 、输入电容 ，以及压电传感器的泄漏电阻 。考虑这些因素，等效电路就如图8-5所示，它们的作用是等效的。 将图8-5简化后的电路电路如图8-6所示。,图8-5 压电传感器完整的等效电路,图8-6 完整电路的等效电路,三、接口电路,压电式传感器本身的内阻很高，而输出的能量又非常微弱，因此它的测量电路通常需要由一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配，然后方可采用一般的放大、检波、指示等电路，或者经功率放大至记录器。 压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出：二是放大压电传感器输出的弱信号。因此设计前置放大器也有两
9、种形式，一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,（一）电压放大器 压电传感器与电压放大器的连接电路如图8-7所示。,图8-7 电压放大器,（二）电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图8-8所示。 在使用压电传感器时需注意该传感器不能测量静态参数，而采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正；采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正。,图8-8 电荷放大器,四、压电式压力传感器,图8-9所示为 压电式压力传感器 的结构，压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电原价按受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。 合理的设计使压电式压力传感器体积小，结构简单，具有较强的抗干扰能力，测量范围宽等特点，所以是一种应用较为广泛的测力传感器。但它不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数，因此目前多用来测量加速度和动态力或压力。,图8-9 压电式压力传感器结构,
