《传感器原理与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 王长涛 尚文利 夏兴华 韩忠华 候静 第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 王长涛 尚文利 夏兴华 韩忠华 候静 第六章（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、6.1 压电式传感器概述,6.1.1 压电式传感器的作用,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。 压电传感器是力敏元件，将被测量力、压力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的测量目的。它是一种典型的无源传感器（或称发电型传感器）它是基于某些材料的压电效应。例如：单晶体SiO2，多晶体的压电陶瓷材料Ba2TiO3等。,6.1.2 压电效应概念,某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用
2、力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。 压电效应可分正压电效应和逆压电效应两种情形。 1正压电效应 即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力作用时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷（或产生内部电场）。力消失后，又重新恢复不带电状态。 2逆压电效应 在晶体（电介质）的极化方向上施加外部电场，晶体（电介质）产生收缩机械变形（或机械应力）。当外电场消失后则晶体（电介质）的机械形变（或机械应力）消失。,6.1.3 压电传感器的特点,基于压电效应得压电式传感器具有许多应用特点。
3、 （1）响应频带宽，灵敏度高。 （2）结构简单，工作可靠、质量轻。 （3）广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。,6.2 压电材料,6.2.1 石英晶体,石英晶体有三个晶轴： （1）X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； （2）Y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形状； （3）Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。,6.2.2 压电陶瓷,压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结
4、构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。,6.3 压电材料及压电元件的结构,6.3.1 压电材料,选取合适的压电材料是压电式传感器的关键，一般应考虑以下主要特性进行选择： （1）具有较大的压电常数。 （2）压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。 （3）具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。 （4）具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。 （5）压电材
5、料的压电特性币随时间蜕变，有较好的时间稳定性。,1石英晶体 2水溶性压电晶体 3铌酸锂晶体 4压电陶瓷 5压电半导体 6高分子压电材料,6.3.2 压电元件的常用结构型式,在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如下图所示。图a为并联接法，其输出电容C为单片的n倍，即C=nC ，输出电压U=U ，极板上的电荷量Q为单片电荷量的n倍，即Q=nQ。图中b为串联接法，这时有Q=Q，U=nU，C=Cn。 在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，
6、适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。 压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。,6.4 压电式传感器测量电路,6.4.1 压电式传感器的等效电路,6.4.2 压电式传感器的测量电路,1电压放大器（阻抗变换器）,2电荷放大器,6.5 压电式传感器基本结构和应用特点,1压电式传感器基本结构 可归纳出压电式传感器的基本结构如下： （1）基座和外壳。为隔离试件应变和环境声、磁、热干扰，并增强刚性，基座通常都很厚，并采用刚度大的不锈钢或钛合金材料；壳体取用与基座相同的材料，起密封、屏蔽作用
7、。 （2）压电元件。根据设计需要，可取压电晶体或陶瓷。结构形式较多采用双晶片并联形式。压电加速度传感器中常采用平板式或圆筒式结构，取厚度压缩或剪切变形方式。 （3）敏感元件。指加速度传感器中的m-k-c系统，位移传感器中的弹簧，或压力传感器中的弹性膜片(盒)等。m-k-c系统中质量块通常采用高比重合金，以利缩小结构和尺寸。 （4）预载件。即压块、弹簧或螺栓螺母等，用以对压电元件施加预紧力。加预紧力的作用是：消除压电元件内外接触面的间隙，提高传感器弹性系统的刚度，从而获得良好的静态(灵敏度和线性)、动态特性；足够的预紧力，才能确保拉力、剪力和扭矩传感器获得足够的正压力后靠摩擦传递切向力；利用预载
8、对外力的分载原理，可用它来实现对外力的分载调节，用以改变传感器的灵敏度、线性或量程。 （5）引线及接插件用以与外接电缆连接。 2压电式传感器的应用特点 （1）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长； （2）体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小； （3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。,6.6 影响压电式传感器工作的主要因数,1横向灵敏度 2环境温度和湿度 3安装差异及基座应变 4噪声等,课堂互动内容 课堂提问 压电式传感器的作用是什么？有哪些特点？ 选择合适的压电材料考虑的主要特性有哪些？ 影响压电式传感器工作的主要因数有哪些？,习 题,1如何减小电缆噪声对测量信号的影响？ 2采取何种措施可以提高压电式加速度传感器的灵敏度？ 3什么是正压电效应？什么是逆压电效应？压电效应有哪些种类？ 4压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测量静态压力？,
