传感器原理及应用(第3版) 王华翔 第5章 压电式传感器

1、第5章 压电式传感器电阻、电容、电感式传感器是无源器件，需要外加电源才能产生电信号输出。压电式传感器是有源的自发电型传感器，在被测量（如力）作用下，能够产生静电电荷或电压。特点：测量频带高、灵敏度高、结构简单，工作可靠。燃气灶点火装置潜艇声纳（换能器）：能够接受声波信号，并转换为电信号第1节 压电效应压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使它变形，在它的两个表面产生符号相反的电荷；当外力去掉后，重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。在电介质的极化方向施加电场，这些电介质会发生变形，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料，石英晶体、压电陶瓷。一、石英晶体的压电效应晶体

2、具有各向异性，需确定参考方向X轴：经过六棱柱棱线，平分内夹角。在此轴方向施加力，在垂直该轴表面产生电荷最明显。“电轴”Y轴：垂直于六棱柱对边的轴线。在外加电场作用下，此轴方向机械形变最明显。“机械轴”Z轴：垂直于X,Y的纵轴，此方向没有压电效应。“光轴”石英晶体（SiO2）单元结构没有外力时，硅离子和氧离子对称分布在正六边形顶点。电偶极子与电偶极距两个大小相等的正负电荷距离很近时，称为电偶极子。电偶极距为电量与距离的乘积 由负电荷指向正电荷l qP0321PPP0XF0XF0XF0321XPPP0321YPPP0321ZPPP0321YPPP0321ZPPP0321XPPP二、压电陶瓷的压电效

3、应压电陶瓷是以钛酸铅等矿物粉碎后，经1000度以上高温烧结而得到的人工晶体。压电陶瓷内部由很多自发极化的小电畴构成。由于电畴排布杂乱，对外无电性。使用前，放置到电场中进行极化，电畴方向转向一致。电场去除后，存在剩余极化强度极化后的压电陶瓷存在剩余极化强度，但为何测不出电量？极化后的压电陶瓷表面吸附了外界的自由电荷中和和剩余极化强度使用压电陶瓷时加外力，d减小，极化强度减小，表面电荷释放，放电放电。外力去除，极化强度恢复，重新吸附电荷，充电充电。机械能 电能外加同向电场，极化强度增大，正负电荷距离增大，陶瓷片沿极化方向伸长。石英晶体和压电陶瓷产生压电效应的原理不同！石英晶体：外力导致晶体单元结构

4、变化，正负等效电荷中心分离，发生极化，导致晶体表面出现电荷。压电陶瓷：电畴在进行初始极化后，存在剩余极化强度，在表面吸附了自由电荷。在受到外力时，极化强度变化，发生充放电现象。三、压电常数和表面电荷的定量计算当晶片受到沿X轴方向的压缩应力 晶片厚度变形，发生极化现象，极化强度XXlbFddPXXXXX111111d压电系数同时，极化强度等于晶面上的电荷密度lbqPXXXXXFdq11晶面电荷密度极间电压XXXXXCFdCqU11tlbCrX0逆压电效应：在晶体两端施加电压，形变为XUdt11XXEdtUdtt1111第2节 压电材料什么样的电介质适合做压电材料？1. 具有较大的压电常数压电常数

5、。其越大，灵敏度越高。2. 具有良好的机械性能机械性能。要求机械强度大，弹性好， 适合力和高频测量。3. 具有高电阻率电阻率和介电常数介电常数。电阻大，产生的电荷不易 泄露。大介电常数，适合低频变量测量4. 具有较高的居里点居里点。当环境温度高于某材料的居里点 时，材料的压电效应消失。dSCCLCf21第3节 压电式传感器的测量电路一、等效电路压电传感器在受力时，电极表面会出现电荷，且极性相反电量相同，是一个电荷源。同时石英晶体和压电陶瓷为绝缘体，两个表面为电极，又可以看作为电容器（有源）。FtStSCra0压电传感器两极板间的电压电荷关系为：aaCqU输出电量根据需要，即可以是电荷也可以是电

6、压。需输出电荷时，等效为电荷源与电容并联的电荷等效电路需输出电压时，等效为电压源与电容串联的电压等效电路测量电路对应有：电荷放大器电压放大器由于外接负载电阻不可能无穷大，压电材料自身有微弱导电性，受力产生的电荷会逐渐“漏损”。必须在变化力的作用下，电荷才会不断产生和补充。不适合测量静态变量考虑连接导线的等效电阻，电容；前置放大器的输入电阻电容的完整等效电路如下：二、测量电路测量电路的两个作用：信号放大和阻抗匹配电压放大器：输出电压与压电元件电压成正比电荷放大器：输出电压与压电元件电荷成正比（1）电压放大器iaiaRRRRRicCCCaaCqUtFmsinF压电元件受力为在外力作用下，压电元件电

7、压为：tCFdUamasin33Ui为R/C后和Ca一起对Ua进行分压，得：aiCCRjRjd133FU其幅值为：22233)(1icamimCCCRRFdUU Ui与F F 的相位差为：)(arctan2icaCCCRicaCCCR/10icammimCCCFdRFdU332033/1当作用力变化频率很高时1/0 ，电压输出Ui与作用力频率无关，高频特性好！3/0要求电压放大器不仅对高频交变力效果好，对变化缓慢的被测量（低频）也有好的效果，怎么办？小，但还要求 ，减小测量电路的固有频率3/00即icaCCCR电压放大器的灵敏度22233)(1icamimCCCRRFdU22331icamimuCCCRdFUKicaaCCCdK331RicaCCCRRORicaCCC可行增大前置放大电路的内阻Ri可以改善传感器的低频特性。（2）电荷放大器电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。FFFFFFSCRACAjURCjUAURCjUUi11111000FCAC) 1(0FRAR/1) 1(/10FaFaCACjRARqjU001111FcaFaSCCACCjRARqAjUAU00001111等效电流FFSCCqCAqAU001FFCR/110A结论：电荷放大器输出电压与电荷成正比第4节 压电式传感器的应用一、压电元件的串并联使用单片压电元件产生的电荷电压很小，通常把两片或更多片压电