[工学]第11 12讲 压电式传感器

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1、第6章压电式传感器压电传感器是典型的无源传感器。又称自发电式传感器及电势式传感器。压电传感器的工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。特点：体积小、重量轻、结构简单、工作可靠；适合动态力学测量，不能测量静态量。目前多用于加速度和动态力学或压力的测量。压电传感器是一个机电转换元件。应用：拾音器、压电引信、燃气点火具。压电式传感器6.1压电效应及压电材料一、压电效应一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；而当外力去掉后，又恢复不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变。压电传感器晶体受

2、作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。反之，如果给晶体施加以交变电场，晶体本身则产生机械变形，这种现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。压电效应具有可逆性。压电材料具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱，随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等材料是性能优良的压电材料。压电材料分为：压电晶体、压电陶瓷、高聚物和复合材料（压电陶瓷和高聚物复合）。高分子材料压电传感器高分子材料聚偏氟乙烯（PVF2）具有压电特性。特点：压电系数大，频

3、率响应宽，机械强度好，质量轻，耐冲击。应用：压电薄膜制成的称重传感器；高分子压电薄膜制成机器人触觉敏感元件。压电材料的主要特性参数（1）压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。压电材料的主要特性参数（4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻：压

4、电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度。一、石英晶体（SiO2）优点：绝缘性能好，机械强度高；压电温度系数小，居里温度点高；缺点：资源少，价格较贵；压电系数低。只在标准传感或精度要求较高的传感器中使用。Z—光轴X—电轴Y—机械轴石英晶体是一个正六面体，各个方向的特性是不同的。纵向压电效应：沿电轴X方向施加力的作用产生的压电效应称为纵向压电效应。横向压电效应：沿机械轴Y方向施加力的作用产生的压电效应称为横向压电效应。d11---x方向受力的压电系数；d12---y方向受力的压电系数；当石英晶体不受力时，正负电

5、荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零。P1+P2+P3=0.当受到X方向的压力作用时，P1减小，P2,P3增大，在X轴正方向出现负电荷；当受到Y方向的压力作用时，P1增大，P2,P3减小，在X轴正方向出现正电荷。二、压电陶瓷是一种人工制造的多晶压电材料，它由无数个细微的单晶组成。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。必须对压电陶瓷进行极化处理，在陶瓷上施加外电场。在压电传感器中多采用钛酸钡及锆钛酸铅压电陶瓷作为压电元件。电荷量与外力的关系：d33——压电陶瓷的压电系数。钛酸

6、钡的压电系数是石英的50倍，但居里温度点只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅，居里温度点300℃，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。压电陶瓷可以按受力和变形的不同形式制成各种形状的压电元件。三、压电式传感器压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应，当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷输出。为了提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件组合使用：并联和串联。并联使用时，电荷量增加一倍，电容量也增加一倍，输出电压不变，适合测量慢变信号并以电荷作为输出的场合；串联使用时，电荷量不变，电容量减小一半，输出

7、电压增大一倍，适用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。6.2压电式传感器的测量电路一、压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：压电元件的等效电路二、压电传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；（2）放大传感器输出的微弱信号。压电