传感器及实用检测技术（第三版）压电式传感器.ppt

压电式传感器压电效应12压电材料3压电式传感器结构4应用电路5应用举例内容提要一、压电效应某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即上述现象称正压电效应。反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应。力电量形变解释：（a）材料受压（b）材料受拉（c）材料受压（d）材料受拉One作用力的方向不同，产生电荷的方向也不同Two力的作用面不同，产生的电荷方向也不同Threea，b中产生的电荷比c，d中产生的电荷多（各向异性）二、压电材料分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好，如下图所示。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。（a）压电常数与温度的关系（b）介电常数与温度的关系1.石英晶体压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用。2.压电陶瓷有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。（ａ）天然石英晶体（b）石英晶体薄片（c）压电陶瓷（d）高分子压电薄膜3.有机高分子薄膜三、压电传感器的结构压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如图。实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联，就如同将两个电容器串联和并联一样。串联输出的电压高，自身电容小；并联输出电荷量大，电容量大。串联主要用在以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合，而并联由于时间常数大，主要用于以电荷为输出量的场合，适于测量缓变信号。四、应用电路（a）电荷源等效电路（b）电压源等效电路由于压电传感器产生的电量非常小，且内阻极高，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。（a）等效电路（b）简化电路压电式传感器电荷放大电路L/O/G/OL/O/G/OL/O/G/OL/O/G/O