压电式传感器原理及应用

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1、5.3压电式传感器5.3.1压电式传感器的工作原理5.3.2等效电路及信号变换电路5.3.3压电式加速度传感器5.3.4压电式测力传感器下一页返回5.3.1压电式传感器的工作原理电势型传感器以压电效应为基础压电效应可逆“双向传感器”正压电效应某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。(加力变形产生电荷)上一页下一页返回逆压电效应在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的

2、现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场电介质产生变形应力)常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。1.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返回晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷d11——压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面上一页

3、下一页返回此时，切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。上一页下一页返回石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷上一页下一页返回石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高

4、、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。上一页下一页返回2.压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化上一页下一页返回陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。上一页下一页返回压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板

5、上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系上一页下一页返回Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数；F——作用力。常见压电陶瓷：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以

6、获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。上一页下一页返回5.3.2等效电路及信号变换电路1.压电元件的等效电路2.压电式传感器的信号调节电路上一页下一页返回1.压电元件的等效电路上一页下一页返回压电式传感器的等效电路(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路上一页下一页返回两个压电片的联结方式（a）“并联”，Q’

7、=2Q，U’=U，C’=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b）“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。上一页下一页返回2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微

8、弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返回（1）电压放大器Ca：传感器的电容Ra：传感器的漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容上一页下一页返回前置放大器输入电压压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11·