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1、压电传感器 逆压电效应：逆压电效应：电介质的极化方向上施加交变电场，它电介质的极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，去掉外电场，变形消失。会产生机械变形，去掉外电场，变形消失。此过程表现为电能转化为机械能。由此可见，压电效应属于可逆效应。 具有压电效应的电介质物质称为压电材料，大多数晶体都有，但很微弱。2. 压电材料 常见的压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是多晶体。 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。（3 3）分析：）分析：图2 压电陶瓷的极化过程和压电原理图5.3.2 5.3.2 5.3.2 5.3.2 压电式传感器等效电路和测量电路压电式传感器等效
2、电路和测量电路压电式传感器等效电路和测量电路压电式传感器等效电路和测量电路 1. 1. 压电器件的串联与并联压电器件的串联与并联图3 压电元件的串联和并联接法(1)串联： Q = QU = NUC =C/N 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合；(2)并联： Q = NQU = UC =NC 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。预应力 可以把压电传感器可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源等效为一个与电容相并联的电荷源，如图如图4 4（a a）所示。压电传感器也可以）所示。压电传感器
3、也可以等效为一个电压源和一等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电路个电容相串联的等效电路，如图，如图4 4（b b）。）。2. 压电式传感器的等效电路图4 压电传感器的等效电路Q=CaUU=Q/Ca图5 压电传感器的实际等效电路 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。如图5所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。(1)(1)电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器） 图6 电压放大器电路原理及其等效电路图 3. 压电式传感器的测量电路a. w/w03时，可以认为Uim与w无关，即压电传感器有很好的高频响
4、应特性，不能用于静态力测量。分析：b. Uim与电缆电容CC相关，当电缆长度改变时，CC也将改变。同时， Uim也随之改变。压电传感器与前置放大器间连接电缆不能随意更换，否则将引入误差。 由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压为为图7 电荷放大器等效电路 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与q成正比，与Cf有关。对Cf的精度、温度和时间段定性要求高，价高、复杂，调整困难。（2）电荷放大器通常A=104106，因此若满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，则 5.3.3 5.3.3 5.3.3 5.3.3 压电式传感器应用举例压
5、电式传感器应用举例压电式传感器应用举例压电式传感器应用举例 （1 1）单向力传感器）单向力传感器（2 2）压电式压力传感器测量冲床压力）压电式压力传感器测量冲床压力（3 3）压电式压力传感器测量金属加工）压电式压力传感器测量金属加工切削力切削力 图9 冲床压力检测图8 单向压电石英力传感器的结构图10 压电式刀具切削力测量示意图 1压电式压力传感器 2 2压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图11 压电式加速度传感器结构图 图12 表面粗糙度测量 3用压电式传感器测表面粗糙程度4 4压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 图14 压电式玻璃破碎报警器电路框图 图13 BS-D2压电式玻璃破
6、碎传感器 5 5压电式煤气灶电子点火装置压电式煤气灶电子点火装置 图15 压电式煤气灶点火装置 小 结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电
7、状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，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，这种现象被称为压电效晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。应。应。应。 压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介压电传感器是一种电能量型传感器，它的
8、工作原理是基于某些电介压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。质的压电效应。质的压电效应。质的压电效应。 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不能直接显示和记录。所以，压电传感器要求测量电路的前级输入端要有能直接显示和记录。所以，压电传感器要求测量电路的前级输入端要有能直接显示和记录。所以，压电传感器要求测量电路的
9、前级输入端要有能直接显示和记录。所以，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，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。压电传感器的足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。压电传感器的足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。压电传感器的足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差减小。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的输出可以是电压信号，二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的输出可以是电压信号，二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的输出可以是电压信号，二是把传感器的微弱信号进行放大。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。放大器。放大器。放大器。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！20
