传感器技术及应用（第2版） 课件 08 压电式传感器.pptx

第6章压电式传感器;6.1压电效应及压电材料;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。?;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：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。;6.1.1石英晶体

石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。下图表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。;当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷。

其大小为;若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy

其大小为;电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。;

石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。;;;当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。;☆如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。

☆这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。;6.1.2压电陶瓷

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，它有一定的极化方向

;在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。;;这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。;☆压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高???

☆极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。;6.1.3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。;☆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。

☆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。;压电元件变形方式

(a)厚度变形(TE);(b)长度变形(LE)；(c)体积变形(VE)；

(d)面切变形(FS)；(e)剪切变形(TS);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、压交变力及剪力和扭矩。;6.2压电式传感器测量电路;因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。;压电传感器也可以等效为一个电荷源;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，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。;电压源电荷源;6.2.2压电式传感器的测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。

其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。

压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。;1.电压放大器（阻抗变换器）

如图是电压放大器电路原理图及其等效电路。;1.电压放大器（阻抗变换器）

如图是电压放大器电路