现代检测技术电压式传感器

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1、一、压电效应二、压电元件三、接口电路四、压电式压力传感器第8章压电式传感器压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础，压电效应是可逆的。因此，压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。压电式传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等许多优点。因此在压力冲击和振动等动态参数测试中，是主要的传感器品种，它可以把加速度、压力、位移、温度、湿度等许多非电量转换为电量。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有左右。一、压电效应（一）压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施

2、力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，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，上述这种现象称为正压电效应。当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。具有压电效应的物质很多，常用压电材料如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。（二）石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，它是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴z

3、称光轴；经过正六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴；与z轴和x轴同时垂直的y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。将沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。图8-1石英晶体的外形与晶轴当晶片在沿x轴的方向上受到压缩应力作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶片的线性弹性范围内，极化强度与应力成正比，即：式中，为沿晶轴x方向施加的压缩力；为压电系数，当受力方向和变形不同时压电系数也不同，石英晶体的；l、b分别为石英晶片的长度和宽度

4、。压电系数的下标mn的意义是：m表示产生电荷的面的轴向，n表示施加作用力的轴向。在石英晶体中，下标1对应x轴，2对应y轴，3对应z轴。极化强度等于晶片表面的电荷密度，即：式中，为垂直于x轴平面上的电荷。把值代入得：由上式可以看出，当晶片受到x向的压力作用时，与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关。其极间电压为：式中，—电极面间电容，S—极板面积，单位为；h—晶片厚度，单位为m；—压电晶体的介电常数；—真空介电常数（）；—压电晶体的相对介电常数（4.58）。根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即或用应变表示，则式中，—x轴方向的电场强度。在x轴方向施加压力

5、时，石英晶体的x轴正向带正电；如果作用力改为拉力，则在垂直于x轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，电荷的极性如图8-2所示。图8-2晶片上电荷极性与受力方向的关系如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与x轴垂直平面上出现，其极性见图8-2，此时电荷的大小为：式中，为石英晶体在y轴方向上受力时的压电系数。根据石英晶体轴的对成条件：则上式为：式中，h为石英晶片厚度。负号表示沿y轴的压缩力产生的电荷与沿x轴施加的压缩力所产生的电荷极性相反。由上式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。则其电极间电压为根据逆压电效应，晶

6、片在y轴方向将产生伸缩变形，即或用应变表示石英晶体除了有纵向、横向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。由上述可知：①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场效应）之间呈线性关系。②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。二、压电元件（一）压电元件的连接方式在压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料一般不只用一片而是用两片或两片以上组合在一起，称为叠层式压电组合器件。图8-3两压电片的连接方式在8-3a图中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种接法称为并联。

7、其输出电容C’为单片电容C的两倍，但输出电压U’等于单片电压，即C’=2C，U’=U，q’=2q图8-3b的接法是正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。从图中可知，输出的总电荷q’等于单片电荷q，输出电压U’为单片电压口U的两倍，总电容C’为单片电容C的一半，即：q’=q，U’=2U，C’=C/2（二）等效电路可以把压电传感器看成一个静电发生器，也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容值为：式中，S—压电片面积；h—压电片厚度；—压电材料相对介电常数；—真空介电

8、常数()；—压电元件的内部电容。图8-