压电型传感器与测量电路课件.ppt

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1、第五章压电型传感器与测量电路压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。5.1压电效应及压电材料5.1.1压电效应及压电材料某些离子型晶体电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极

2、性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。利用正压电效应，人们制成了加速度传感器等器件。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。利用电致伸缩效应，人们制作了超声波发生器，用于金属材料探伤等领域。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机一电能量的相互转换，如图5-1所示。FF极化面Q压电介质正压电效应逆压电效应T(S)电能Q(E)机械能图5-1压电效应(a)(b)+-在自然界中大多数晶体都具有压电效应，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、

3、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有：①压电常数：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。④机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，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，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善

4、压电传感器的低频特性。⑥居里点温度：它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。5.1.2压电材料的加载结构压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷(或电压)输出。单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片(或两片以上)同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。如图5-2所示，从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。图5-2(a)是两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为

5、压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图5-2(b)是两压电片不同极性端粘结在一起，从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。在上述两种接法中，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场合。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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。图5-2压电元件的连接

6、方式（a）相同极型端粘接——并联（b）不同极性端粘接——串联压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图5-3所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力与扭矩。图5-3压电元

7、件加载方式5．2压电式传感器的测量电路5.2.1压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。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，则其电容量为因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图5-4(a)所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图5-4(b)所示。CaUaCaQ(a)(b)图5-4压电元件的等效电路（a）电压源（b）电流源压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连

8、接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻