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1、第第7章章 压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器：利用某些物质的压电效应制作的传感器。又称为电势式传感器电势式传感器或自发电式传感器自发电式传感器。7.1 压电传感器的压电传感器的工作原理工作原理7.2 压电元件的常用压电元件的常用结构形式结构形式7.3 压电传感器的压电传感器的等效电路等效电路7.4 压电传感器的压电传感器的测量电路7.5 压电传感器压电传感器应用应用7.1 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理7.1.1 压电效应及物理解释压电效应及物理解释7.1.2 常用压电材料常用压电材料F+q=DF7.1.1 压电效应及物理解释压电效应及物理解释 产生内部电场产生内部电场1）压
2、压电电效效应应：当沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。2）逆压电效应逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力；当外加电场消失后，这些变形或应力也随之消失，称之为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。“双向传感器双向传感器”压电材料压电材料：具有压电效应的材料。石英（SiO2）晶体、钛酸钡（a）右旋石英晶体右旋石英晶体 （b）左旋石英晶体左旋石英晶体1石英晶体石英晶体 六方晶系六方晶系参考方向：晶轴。参考方向：晶轴。X轴轴：电电轴轴，是平行于相邻棱柱面内夹角的等分线
3、，垂直于此轴的棱面上压电效应最强。Y轴轴：机机械械轴轴，垂直于六边形对边的轴线，在电场作用下，沿该轴方向的机械形变最明显。光光轴轴：中中性性轴轴，垂直于X、Y轴的纵轴Z方向，此方向没有压电效应。纵纵向向压压电电效效应应：沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应。横向压电效应横向压电效应：沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应。石石英英晶晶体体的的分分子子结结构构：化化学学式式为为SiO2。一一个个晶晶体体单单元元中中有有三个硅离子三个硅离子Si4+和六个氧离子和六个氧离子O2，电电偶偶极极矩矩：=ql，q为为电电荷荷，l为为间间距距，是是一一种种矢矢量量，方方向向是是从负电荷指向正电荷。从
4、负电荷指向正电荷。晶片电荷极性与受力方向的关系晶片电荷极性与受力方向的关系 当在电轴方向施加作用力时当在电轴方向施加作用力时,在与电轴在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷垂直的平面上将产生电荷,其大小为其大小为 qx=d11 fx 式中式中:d11x方向受力的压电系数方向受力的压电系数;石英晶体的石英晶体的d11=2.3110-12 C/N；qx垂直于垂直于x轴平面上的电荷；轴平面上的电荷；fx 沿晶轴沿晶轴x方向施加的方向施加的作用力。作用力。若沿机械轴若沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力fy,则仍在与则仍在与x轴垂直的平轴垂直的平面上产生电荷面上产生电荷qy,其大小为其大小为 qy=d
5、12 fy 式中式中:d12y轴方向受力的压电系数轴方向受力的压电系数,d12=-d11 2压电陶瓷压电陶瓷 铁电体铁电体极化前极化前极化后极化后压电陶瓷是一种常用的人工制造的多晶体压电材料，压电陶瓷是一种常用的人工制造的多晶体压电材料，压电陶瓷在没有极化之前并不具有压电现象，压电陶瓷在没有极化之前并不具有压电现象，经过极化处理后其压电系数大大提高。经过极化处理后其压电系数大大提高。电畴：自发形成的小区域，每个小区域有一定的极化方向，电畴：自发形成的小区域，每个小区域有一定的极化方向，从而存在着一定的电场。从而存在着一定的电场。(分子团分子团)这些小的电畴在这些小的电畴在2030kVcm的强化
6、电场中放的强化电场中放23小小时后，将使极性转到接近电场方向。时后，将使极性转到接近电场方向。由于束缚电荷的作用，在束缚电荷由于束缚电荷的作用，在束缚电荷附近很快吸附一层来自周围外界的自附近很快吸附一层来自周围外界的自由电荷，且束缚电荷与自由电荷多少由电荷，且束缚电荷与自由电荷多少相等，极性相反，因此压电陶瓷对外相等，极性相反，因此压电陶瓷对外不呈现极性。不呈现极性。当当压压电电陶陶瓷瓷沿沿极极化化方方向向被被压压缩缩力力作作用用时时，束束缚缚电电荷荷和和自自由由电电荷荷排排列列压压缩缩变变形形。使使得得束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离变变小小，电电畴畴发发生生偏偏移移，剩剩余余极极化化强强度
7、度变变小小，吸吸附附在在其其表表面面的的自自由由电电荷荷有有一一部部分分被被释释放放而而呈呈现现放放电电现现象象。这这就就是是压压电电陶陶瓷瓷产产生生压压电电效应的原因。效应的原因。7.1.2 常用压电材料常用压电材料1石英晶体；石英晶体；2铌酸锂晶体；铌酸锂晶体；3压电陶瓷：压电陶瓷：(1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷；(2)锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）；）；(3)铌酸盐系压电陶瓷。铌酸盐系压电陶瓷。+并联并联+串联串联并联：并联：q=2q U=U C=2C串联：串联：q=q U=2U C=C/27.2 压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式7.3 压电传感器的压电
8、传感器的等效电路等效电路等效电荷源：等效电荷源：等效电压源：等效电压源：Cc电缆电容；电缆电容；Ri、Ci放大器放大器的输入电阻、输入的输入电阻、输入电容；电容；Ra压电传感器压电传感器的泄漏电阻。的泄漏电阻。7.4 压电传感器的压电传感器的测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,前置放大器也有两种形式:1.电压放大器 2.电荷放大器 1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（
9、阻抗变换器）（a）电压放大器电路电压放大器电路 （b）等效电路等效电路电阻电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容电容C=Cc+Ci,ua=q/Ca,若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用的作用,则其电压为则其电压为 式中式中:Um压电元件输出电压幅值压电元件输出电压幅值Um=dFm/Ca;d压电系数。压电系数。由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui,其复数形式为其复数形式为 的幅值为的幅值为2 在在理理想想情情况况下下,传传感感器器的的Ra电电阻阻值值与与前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻Ri都都为为无无限限大大,即即 R（Ca+Cc+Ci）1,理理想想情情
10、况况下下输输入入电电压压幅值幅值Uim为为前前置置放放大大器器输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关。一一般般认认为为/03时时,就就可可以以认认为为Uim与与无无关关,0表表示示测测量量电电路路时时间间常常数数之之倒倒数数,即即0=1/R（Ca+Cc+Ci）。）。Cc为为连连接接电电缆缆电电容容,压压电电传传感感器器与与前前置置放放大大器器之之间间连连接接电电缆缆不能随意更换不能随意更换,否则将引入测量误差。否则将引入测量误差。不适宜静态测量不适宜静态测量2.电荷放大器电荷放大器 7.5 压电传感器应用压电传感器应用7.5.1 加速度传感器加速度传感器产品产品加速度计加速度计案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析道路模拟实验过程原理道路模拟实验过程原理振动对建筑物的影响振动对建筑物的影响钻床结构的动态特性实验钻床结构的动态特性实验桥墩下部裂纹探测桥墩下部裂纹探测7.5.2 压力传感器压力传感器压力变送器压力变送器力传感器力传感器 压电式超声波传感器压电式超声波传感器压电式声发射传感器压电式声发射传感器7.5.3 其它其它
