资源描述：
《6压电式传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第6章压电式传感器物理基础：压电效应将被测量转换成电荷6.1压电效应压电效应:某些电介质,沿特定方向受力变形时,其内部就产生极化现象,在另一个方向产生电荷;当外力去消后,电荷又消失。逆压电效应:具有压电效应的材料置于电场中时,在特定方向会产生机械变形（电致伸缩效应）。压电材料:具有压电效应的材料：石英晶体，压电陶瓷压电材料的功能:机—电能量的可逆转换。7/29/202126.2石英SiO2晶体的压电效应光轴:纵轴方向,无压电效应,无机械变形电轴:通过棱线垂直于光轴,电荷积累方向机械轴:垂直于光轴与电轴,机械变形方向
2、光轴电轴(纵向)机械轴(横向)石英晶体的压电效应切片xyO-2Si+47/29/20213横向压电效应6.2石英晶体的压电效应SiO2晶片：1个Si原子＋2个O原子不受力时，正负平衡，各向对外不显电性；电轴受压，机械轴变形，电轴积累电荷，上负下正；机械轴受压变形，电轴积累电荷，上正下负；受力方向相反时，电荷极性也翻转xyO-2Si+4xyO-2Si+4++++++--------xyO-2Si+4----++++纵向压电效应电偶极距7/29/20214横向压电效应6.2石英晶体的压电效应结论：压电传感器可直接测动态
3、力、加速度；传感器输出电荷是各向力产生电荷的代数和；非单向力测量时须考虑横向效应的影响。xyO-2Si+4xyO-2Si+4++++++--------xyO-2Si+4---+++纵向压电效应7/29/20215横向压电效应6.2石英晶体的压电效应电荷密度：压电传感器主要用于单向应力测量电致伸缩量：电荷输出：被测量：应力、力xyO-2Si+4xyO-2Si+4++++++--------xyO-2Si+4---+++纵向压电效应qxx:单位C/cm2d11:压电常数常数Ux:电轴外加电压光轴电轴机械轴7/29/2
4、02166.2石英晶体的压电效应石英晶体的性能参数压电常数:材料压电效应强弱的参数,影响电荷输出的灵敏度;刚度:决定压电器件的固有频率和动态特性,刚度越大固有频率越高;介电常数:增大传感器固有电容,消弱分布电容影响;电阻:高的绝缘电阻减少电荷泄漏,改善压电传感器的低频特性;温度稳定性和时间稳定性.7/29/202176.3压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料;材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴;无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，各自的极化效应被相互抵消，内极化强度为零;因此原始的压电陶瓷呈中性，
5、无压电性质;极化处理后才具有压电效应.原始的压电陶瓷7/29/202186.3压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的极化处理:原始压电陶瓷：电畴无序排列在一定的温度下加以强电场,电畴与电场方向一致,极化保持取消电场,电畴方向有所恢复剩余极化强度与电场趋于一致陶瓷两端出现束缚电荷陶瓷吸附外界电荷与束缚电荷平衡,对外不显电荷受力变形时,剩余电畴方向变化,电荷平衡破坏输出电荷与力成正比Q=d33F.+++++++++－－－－－－－+++++++++－－－－－－－+++++++++－－－－－－－7/29/202196.3压电陶瓷的压
6、电效应小结:压电陶瓷的压电常数是变化的:极化2~3月后稳定,2年后会下将——定期标定具有逆压电效应——刀锯补偿压电常数远大于压电晶体；温度、时间温度性差使用温度<70℃材料：钛酸钡，锆钛酸铅（PZT）√另：压电半导体材料，高分子压电材料7/29/2021106.4压电传感器的等效电路电荷发生器等效电路：具有一定电容电压发生器等效电路:具有一定电容压电传感器受力时：一个极板积累正电荷；一个极板积累负电荷；中间是绝缘介质。+++++Fx-----(a)QCaRaUaCa(b)Ra电容器的漏电阻Ra7/29/202111
7、放大器等效电路传感器与测量仪表连接时,导线的影响:压电传感器的漏电阻Ra,电缆的等效电容Cc,测量电路的输入电Ri,测量电路的输入电容Ci漏电阻与测量电路输入电阻要求很高;导线电容、输入电容影响传感器输出。困难:电压放大器输入阻抗必须很高6.4压电传感器的等效电路CaqRiCiCcRaCaUaRiCiCcRa>1010Ω7/29/2021126.4压电传感器的等效电路压电传感器特点当负载无穷大时,电荷才能保留下来;负载较小时,电荷会泄漏.结论:压电传感器不适应于静态测量;压电传感器适应于动态测量:当时间常数RLCa
8、足够大时电荷得以及时补充;RL数百兆欧以上UaCa(b)RL(a)qCaRL7/29/2021136.4压电传感器的等效电路压电晶片的连接方式目的：提高电荷灵敏度或电压灵敏度并联方式：电荷增加/时间常数增加用于电荷放大器/缓变信号测量串联方式：电压增加/时间常数减小用于电压放大器/高频信号测量并联++－－－+串联+－－+7/29/2021146.5压电传感器
