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1、3.3 压电式传感器,主要内容：1.压电式传感器2.压电效应和压电材料3.压电元件的等效电路4.压电式传感器的测量电路重点：压电效应、压电元件的等效电路难点：压电式传感器的测量电路,一.压电式传感器,是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。是一种典型的有源传感器*特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。 *应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。,1.1、压电式传感器的应用1压电式脚踏报警器,2.玻璃打碎报警装置,粘贴位置,将压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的
2、振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,3.交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,4.压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量,5.压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,1.2.总结分析、 压电传感器的工作原理,热电偶的原理： 热电效应,热能,电能,压电式传感器的原理： 正压电效应,机械能,电能,二.压电效应,正压电效应：当压电材料受到一定方向作用力时而发生
3、机械变形，相应的在一定表面上产生电荷，电荷量Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。（压电式传感器）逆压电效应：当压电材料处于变化的电场中时，压电材料的体积将产生伸长或缩短的变化，称作逆压电效应 (压电式喇叭）,压电效应演示,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。,2.1、常用的压电材料及压电材料的压电效应,压电材料,压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅,天然：石英晶体,人造压电材料：,高分子压电材料:聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英
4、晶体外形（续）,二.压电效应,2.2石英晶体的压电效应,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表示，Z轴称为光轴；X轴称为电轴；Y轴称为机械轴。,纵向压电效应 ：X轴横向压电效应 ：Y轴沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2.2石英晶体的压电效应,（1）.定性分析,图3-13垂直x轴的石英切片及其压电效应,从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。图3-13所示是垂直于电轴切割的石英片，在与轴垂直的两面覆以金属。 沿方向施加作用力x时，在与电轴X垂直的表面上产生电荷xx为：,式中d11石英晶体的纵向压电系数
5、 在覆以金属极面间产生的电压为：,定量计算：,如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为：,式中 d12石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以,产生电压为：,2.3 压电陶瓷的压电效应 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。,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,经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。,aZ向施力；bX向施力 图3-14 压电陶瓷
6、的压电效应,2.3 压电陶瓷的压电效应,则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即 :,式中 dzz压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为:,2.3 压电陶瓷的压电效应,当沿X轴方向施加作用力Fx时，如图所示，在镀银极化面上产生电荷Qzx为:,同理,2.3 压电陶瓷的压电效应,式中的dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值； 且dz1=dz2电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。,三、压电元件的等效电路,当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个电荷发生器即电荷源电
7、荷源等效电路：可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图（a）电压源等效电路：压电传感器也可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(b)；,如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。,压电传感器的完整等效电路,Ca传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻,三、压电元件的等效电路,实际等效电路,补充：电容的串并联,以两个电容串并联为例，考察串并联后，总的电容容抗、总电压、总电荷容量,总容抗：C=C1+C2总电量：Q=Q1+Q2总电压：U=U1=U2,并联：,串联：,总
8、容抗：总电量：Q=Q1=Q2总电压：U=U1+U2,因此为了增大输出，在使用过程中压电元件通常用多个元件串联或者是并联使用。,三、压电元件的等效电路,思考：压电晶体是否适合于静态测量。为什么？,当传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。,四、 压电传感器测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较
9、小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。 压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式：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；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,四.压电传感器测量电路,(a)放大器电路； (b)输入端简化等效电路 图3-18 电压放大器电路原理及其等效电路图,电压放大器（阻抗变换器）,注意：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,四.压电传感器测量电路,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放大器。考虑到Ra、Ri阻值极大，等效电路如图所示。,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：,总结,1.压电效应2.压电材料3.压电元件的等效电路4压电式传感器的测量电路预习：电容式传感器,
