第2章传感器与调理技术1

1、虚拟仪器常用传感器虚拟仪器常用传感器与信号调理技术与信号调理技术2.1 虚拟仪器常用传感器n2121世纪的社会是信息社会。现代信息世纪的社会是信息社会。现代信息技术包括三大组成部分：技术包括三大组成部分： 传感器技术传感器技术信息采集信息采集 通信技术通信技术-信息传递信息传递 计算机技术计算机技术信息处理信息处理n传感器技术位于信息技术之首。传感器技术位于信息技术之首。 传感器传感器 给我们的生活带来了便利和帮助给我们的生活带来了便利和帮助2.1.1 传感器概述 n传感器传感器（SensorSensor）：能感受规定的被测量并按照）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件

2、和装置。一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。n包含的概念包含的概念n它是由它是由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件构成的检测装置；构成的检测装置； n能按一定能按一定规律规律将被测量转换成电信号输出；将被测量转换成电信号输出； n传感器的输出与输入之间存在传感器的输出与输入之间存在确定的关系确定的关系。按使用的场合不同又称为按使用的场合不同又称为: :变换器变换器、换能器换能器、探测器探测器。1.1.传感器的定义传感器的定义2.传感器的组成n传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。 敏感元件敏感元件感受被测量感受被测量; ; 转换

3、元件转换元件将响应的被测量转换成电参量将响应的被测量转换成电参量; ; 测量电路测量电路（信号调节与转换电路）将传感元件输出的微小（信号调节与转换电路）将传感元件输出的微小的电信号变换成便于显示、记录、处理和控制的能直接利用的电信号变换成便于显示、记录、处理和控制的能直接利用的电信号。的电信号。 3.传感器分类4.传感器技术的作用和地位 传感器广泛用于工业、农业、传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统

4、的重要组成部分。现代信息系统的重要组成部分。机械手、机器人中的传感器 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。嗅觉传感器。 密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗AGV自动送货车 超声波测距传感器、判断超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置小车位置识别；条形识别；条形码传感器，码传感器

5、，货品识别。货品识别。香港理工香港理工AGV模型模型循迹小车产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括包括润滑油温度润滑油温度、冷却水温度冷却水温度、燃油压力燃油压力及及发动机转速发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量楼宇控制与安全防护 4、 为使建筑物

6、成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。度监测、电梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水控制、停车管理、水/废水管废水管理和电梯监控。理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器其他应用 航

7、天航天农业农业交通交通医学医学5.传感器发展趋势 目前传感器总的发展趋势是目前传感器总的发展趋势是 : （1 1）新材料新材料的开发和应用；的开发和应用； （2 2）新工艺、新技术新工艺、新技术的应用；的应用；（3 3）新的效应新的效应的应用；的应用；（4 4）传感器的）传感器的集成化集成化； （5 5）传感器的）传感器的多维化多维化； （6 6）传感器的）传感器的多功能化多功能化； （7 7）传感器的）传感器的智能化智能化。 2.1.2 应变式传感器高精度电子汽车衡高精度电子汽车衡广泛应用于：广泛应用于：1. 工作原理应变效应：应变效应：当导体或半导体在外界力的作用下发当导体或半导体在外界力

8、的作用下发生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为现象称为应变效应应变效应。应变效应应变效应n当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F F作用时作用时, , 将伸长将伸长L, L, 横截面积横截面积相应减小相应减小S, S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改电阻率将因晶格发生变形等因素而改变变, , 故引起电阻值相对变化量。故引起电阻值相对变化量。SLR.应变效应应变效应SSLLRR式中式中L/L是是长度相对变化量长度相对变化量, 用用应变应变表示表示 LLS/S为圆形电阻丝的为圆形电阻丝的截面积截面积相对变化量相对变化量, 即即 rrSS2又又由材料

9、力学可知，在弹由材料力学可知，在弹性范围内性范围内LLrr电阻丝材料的泊松比电阻丝材料的泊松比)21 (RRSLR.电阻丝的灵敏系数n电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数：把单位应变能引起的电阻值变：把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。化称为电阻丝的灵敏度系数。n其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量， 其表达式为：其表达式为：21RdRK工作原理说明演示实验2. 应变片的基本结构与种类 由敏感栅、基片、覆盖层和引线由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。等部分组成。 是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的

10、基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。两端焊接引出导线。n金属电阻应变片的敏感栅有：金属电阻应变片的敏感栅有： 丝式丝式箔式箔式金属丝式应变片 1-1-基片；基片；2-2-电阻丝；电阻丝；3-3-覆盖层；覆盖层；4-4-引出线引出线 其灵敏度系数多在其灵敏度系数多在1.71.73.63.6之间之间金属箔式应变片 箔式应变片结构箔式应变片结构在绝缘基底上，将厚在绝缘基底上，将厚度为度为0.0030.0030.01mm0.01mm电阻箔材，利用照相电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种法，制成适用于各种需要

11、的形状。需要的形状。 3. 电阻应变片的测量电路 n由于机械应变一般都很小，要把微小应变由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化电阻相对变化R/RR/R转换为电压或电流的转换为电压或电流的变化。需要有专用测量电路用于测量应变变化。需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路。变化而引起电阻变化的测量电路。 直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥 直流电桥 直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 负载负载RLRL（开路）（开路）)(4332110RRRRRREU当电桥平衡时当电桥平衡时, Uo=0, 则有则有

12、 R1R4 = R2R3 或4321RRRR这说明欲使电桥平衡这说明欲使电桥平衡, , 其相邻两臂电阻的比其相邻两臂电阻的比值应相等值应相等, , 或相对两或相对两臂电阻的乘积相等。臂电阻的乘积相等。 电压灵敏度n设设R1R1为应变片，应变时为应变片，应变时R1R1变化量为变化量为R1R1，这时电桥，这时电桥失衡，不平衡输出电压为：失衡，不平衡输出电压为：)()(4321141433211110RRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1 (3412111134RRRRRRRRRRE 设桥臂比设桥臂比n = Rn = R2 2/R/R1 11120)1 (RRnnEU电压灵敏度讨论 2110

13、)1 (nnERRUKU由差动电桥电压灵敏度 差动电桥可补偿非线性误差，而且电桥电压灵敏差动电桥可补偿非线性误差，而且电桥电压灵敏度度K KU U比单臂工作时提高比单臂工作时提高, , 同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。1102RREU110RREU电压灵敏度是单片的电压灵敏度是单片的 4 4 倍倍电压灵敏度是单片的电压灵敏度是单片的 2 2 倍倍差动应变实验4. 应变式传感器的应用n电阻应变式传感器按用途不同可分为：电阻应变式传感器按用途不同可分为： 应变式测力（称重）传感器应变式测力（称重）传感器 应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式位移传感器应变式位移传感器 应变式加速

14、度传感器应变式加速度传感器 等几类等几类应变式传感器的应用主要体现在两个方面将应变片粘贴于被测构件上，直将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的接用来测定构件的应变和应力应变和应力。将应变片贴于弹性元件上，与弹将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。速度等物理参数。（1）应变式传感器测力应变式传感器测力演示（2）应变式压力传感器Phr0圆形金属膜片圆形金属膜片径径向向应应变变切向应变切向应变R1 R20.58rR3 R4膜片式压力传感器膜片式压力传感器（3）应变式加速

15、度传感器 1质量块质量块 2等强度梁等强度梁 3壳体壳体 4电阻应变片电阻应变片mFa （4）应变式传感器测桥梁固有频率测量南京长江二桥通车应变试验南京长江二桥通车应变试验2.1.3 电容式传感器n电容式传感器是把被测量的变化转换成电容式传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。电容量变化的一种传感器。n传统电容式传感器主要用于位移、振动、传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。等方面的测量。各种电容式传感器电容式接近开关电容式接近开关电容

16、式指纹传感器电容式指纹传感器电容式变送器电容式变送器差压传感器1. 电容式传感器工作原理和类型n由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为：果不考虑边缘效应，其电容量为： A A 极板相对覆盖面积极板相对覆盖面积d d 极板间距离极板间距离r r相对介电常数相对介电常数0 0真空介电常数真空介电常数 电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数 dAdAcr0dA电容传感器的结构类型变极距型传感器变面积式电容传感器平面线平面线位移型位移型+柱面线位移型柱面线位移型. .角位移型角位移型. .变介质型传感器

17、变介质型传感器(1)变极距型电容传感器 当当传感器传感器的的r r和和A A为常数为常数, , 初始极距为初始极距为d d0 0时时, , 其初始电容量其初始电容量C C0 0为为: :000dAdACr变极距型电容传感器n若电容器极板间距离由初始值若电容器极板间距离由初始值d0d0缩缩小小dd，电容量增大，电容量增大CC，则有，则有: :)(1 20000ddddddcc00 略去高次 项ddcc有0001ddcck电容传感器电容传感器的灵敏度：的灵敏度：000001ddcddACCCr电容的相对容量为电容的相对容量为:时，按泰勒级数展开：当10dd0001ddddcc变极距型差动结构dd上

18、静片上静片下静片下静片动片动片0011ddcc0021ddcc数展开泰勒时，当级按10dd电容总的变化量为：电容总的变化量为：)(2300021ddddcccc002ddcc略去高次项：略去高次项：0002ddcck电容传感器电容传感器的灵敏度：的灵敏度：（2）变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为方向平移时，其电容变化量化为axccdbxacr0000)(（3）变介电常数型电容式传感器n当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：质参数之间的关系为：rdD动片动片r

19、变介电常数式电容传感器分几种情况：变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数测介电常数 测厚度测厚度d drddDAC0变介电常数的两种类型 d d为运动介质的厚度，为运动介质的厚度，d d保持不变，改变保持不变，改变介电常数，介电常数， 可作可作为介电常数的测试仪器。为介电常数的测试仪器。)(0rrddDAC2. 电容式传感器测量电路（1）运算放大器式电路：能克服变极距型电容传感器的非线性能克服变极距型电容传感器的非线性. Cx是传感器电容是传感器电容C是固定电容是固定电容u0是输出电压信号是输出电压信号 uCCxu0uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()A（2）二极管双T型

20、电路e e是高频电源是高频电源, , 它提供幅值为它提供幅值为U Ui i的对的对称方波称方波D D1 1、D D2 2为特性完全相同的两个二极管为特性完全相同的两个二极管R1 = R2 = RC C1 1、C C2 2为传感器的两个差动电容，为传感器的两个差动电容，当传感器没有输入时当传感器没有输入时,C,C1 1=C=C2 2 工作原理分析：工作原理分析：e e为正半周为正半周 e e为负半周为负半周双T型电路工作原理n若传感器输入不为若传感器输入不为 0, 0, 则则C C1 1CC2 2, , 那么那么I I1 1II2 2, , 此时此时R RL L上必定上必定有信号输出有信号输出,

21、 , 其输出在一个周期内的平均值为其输出在一个周期内的平均值为TRIULL10dttItIT)()(201LR)()()2(212ccfURRRRRRiLLL式中式中f f为电源频率。为电源频率。 当当R RL L已知已知MRRRRRRLLL2)()2(（常数）)(210CCfMUUi则：当电源电压确定后当电源电压确定后, , 输出电压输出电压UoUo是电容是电容C1C1和和C2C2的函数的函数 （3）脉冲宽度调制电路QBQD2D1 AR2R1FGC1C2A2A1uABUr双稳态触发器A1A1、A2A2为比较器为比较器C C1 1、C C2 2为差动式电容传感器为差动式电容传感器电阻电阻R R

22、1 1=R=R2 2D D1 1、D D2 2为特性完全相同为特性完全相同的两个二极管的两个二极管当差动电容器的当差动电容器的C C1 1=C=C2 2时时, , 其平均电压值为零。其平均电压值为零。T T1 1、T T2 2CC1 1、C C2 2充放电至充放电至U Ur r所需时间所需时间U U1 1触发器输出的高电位触发器输出的高电位脉冲宽度调制电路工作原理n由于由于TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln由电路知识可知由电路知识可知C C1 1、C C2 2的充电时间的充电时间12121UCCCCuAB21211)(TTTTUuuuBAAB将将T1T1、T2T2代入

23、代入上式上式 得得：3. 电容式传感器的应用PPhmaxd0CACLCHC0PHPL（2）电容测厚仪 电容测厚仪用于测量金属电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总电带材是电容的动极板，总电容容C1+C2C1+C2作为桥臂。作为桥臂。 带 材 只 是 上 下 波 动 时带 材 只 是 上 下 波 动 时Cx=C1+C2Cx=C1+C2总的电容量不变；带总的电容量不变；带材的厚度变化使电容材的厚度变化使电容CxCx变化。变化。 CBRR0C1C2C1L2L（3）电容式料位计dDhkcsln)(0传感器的静电电容可由下式表示传感器的静电

24、电容可由下式表示: :式中式中: k: k比例常数比例常数; ; s s被测物料的相对介电常被测物料的相对介电常数数 ； 00空气的相对介电常数空气的相对介电常数; D; D储罐的内储罐的内径径; d; d测定电极的直径测定电极的直径; h; h被测物料的高度。被测物料的高度。测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。（4）电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极

25、板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。2.1.4 压电式传感器n压电式传感器是一种典型的发电型传感压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。现非电量测量。

26、 n压电式传感器可以对各种压电式传感器可以对各种动态力动态力、机械机械冲击冲击和和振动振动进行测量，在声学、医学、进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。力学、导航方面都得到广泛的应用。压电式传感器应用概述压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电加速度计压电警号压电警号1. 压电式传感器的工作原理 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉发生改变时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称时，它们又重新回到不带电的状态，这

27、种现象就称为为。 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为电方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为电致伸缩效应，也叫致伸缩效应，也叫当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变压电材料压电材料压电材料: :具有压电效应的材料称为具有压电效应的材料称为压电材料压电材料。压电材料能实现机压电材料能实现机电能量的相互转换电能量的相互转换, ,如图所示：如图所示：压电材料分为压电材料分为两大

28、类两大类: : 压电晶体和压电陶瓷压电晶体和压电陶瓷 。压电元件压电元件机械能电能（1）石英晶体压 电 晶 片按特定方向切片按特定方向切片人工合成人工合成水晶水晶石英晶体是最常用的压电晶体之一石英晶体是最常用的压电晶体之一石英晶体的压电效应n石英晶体石英晶体它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图 在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴轴Z Z称为光轴称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x x轴轴称为电轴称为电轴；与；与x x轴和轴和z z轴同时垂直的轴同时垂直的y y轴

29、称为机械轴轴称为机械轴。沿电轴沿电轴x x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效纵向压电效应应”，把沿机械轴，把沿机械轴y y轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿。而沿z z轴方向受力时不会产生压电效应。轴方向受力时不会产生压电效应。表面电荷与外力关系n压电元件受力后压电元件受力后, ,表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系: : dFq d d为压电系数为压电系数 当在电轴当在电轴x x方向施加作用力时方向施加作用力时, , 在与电轴垂直的平面上将在与电轴垂直

30、的平面上将产生电荷产生电荷, , 其大小为：其大小为：xxFdq11d d1111xx方向受力的压电系数方向受力的压电系数q qx x垂直于垂直于x x轴平面上的电荷轴平面上的电荷F Fx x沿电轴沿电轴x x方向施加的作用力方向施加的作用力表面电荷与外力关系n若在同一切片上若在同一切片上, , 沿机械轴沿机械轴y y方向施加作用力方向施加作用力Fy, Fy, 则仍在与则仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷q qy y, , 其大小为：其大小为：yyFbadq12d d1212yy轴方向受力的压电系数，根据石英晶体轴的对称条轴方向受力的压电系数，根据石英晶体轴的对称条 件件

31、d d1212= -= -d d1111a,b-a,b-晶体切片的长度与厚度晶体切片的长度与厚度电荷电荷q q x x、 q qy y的符号由晶体受压还是受拉而决定的符号由晶体受压还是受拉而决定当石英晶体沿当石英晶体沿z z轴方向被压缩或被拉伸时，晶体沿轴方向被压缩或被拉伸时，晶体沿x x方向和方向和y y方向产生同样的变形，因此沿方向产生同样的变形，因此沿z z轴方向施加作用力时，石轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即英晶体不会产生压电效应，即d d1313=0=0。石英晶体压电模型石英晶体的压电效应示意图石英晶体的压电效应示意图（2）压电陶瓷n压电陶瓷与石英晶体不同，它是人工制

32、压电陶瓷与石英晶体不同，它是人工制造的造的多晶体多晶体压电材料。压电材料。n压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。为石英晶体的几百倍。电畴结构 电畴实质上是自发形成的小区域，每个小区域有一定电畴实质上是自发形成的小区域，每个小区域有一定的极化方向，从而存在着一定的电场，但由于电畴分布杂的极化方向，从而存在着一定的电场，但由于电畴分布杂乱无章，如图所示。因此在没有外加电场的情况下，它们乱无章，如图所示。因此在没有

33、外加电场的情况下，它们的极化作用被相互低消了。的极化作用被相互低消了。 上述情况下，压电陶瓷不会产生压电效应。上述情况下，压电陶瓷不会产生压电效应。 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构，如图所示。结构，如图所示。压电陶瓷极化处理外电场去掉外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。施加外电场施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场

34、方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。压电陶瓷极化n压电陶瓷的极化强度不恢复为零，而是存在着很强的剩余极压电陶瓷的极化强度不恢复为零，而是存在着很强的剩余极化强度。此时，在与极化方向垂直的两端面将会出现束缚电化强度。此时，在与极化方向垂直的两端面将会出现束缚电荷，一端面为正，另一端面为负，如图所示。荷，一端面为正，另一端面为负，如图所示。束缚电荷自由电荷电极由于束缚电荷的作用，在束缚由于束缚电荷的作用，在束缚电荷附近很快吸附一层来自周电荷附近很快吸附一层来自周围外界的自由电荷，且束缚电围外界的自由电荷，且束缚电荷与自由

35、电荷多少相等，极性荷与自由电荷多少相等，极性相反，因此相反，因此压电陶瓷对外不呈压电陶瓷对外不呈现极性现极性。压电陶瓷的极化过程压电陶瓷的电荷Fdq33（3）压电式传感器n压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。成是一个电容器。2. 压电式传感器的等效电路和测量电路（1）压电式传感器的等效电路）压电式传感器的等效电路 当压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向当压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，或横向表面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集等量的负电荷。因此压电传

36、而在另一个极板上聚集等量的负电荷。因此压电传感器可以看作是一个感器可以看作是一个电荷发生器电荷发生器，也是一个，也是一个电容器电容器。 若已知压电片面积为若已知压电片面积为A A，压电片厚度，压电片厚度d d，压电材，压电材料的相对介电常数料的相对介电常数r r ，则其电容值为，则其电容值为: : Ca=dAr0压电元件的等效电路n压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。 如图（如图（b b）所示，电容器上的电压）所示，电容器上的电压UaUa、电荷量、电荷量q q和电和电容量容量CaCa三者关系为三者关系为aaCqU (b)电压源电压源(a)

37、电荷源电荷源压电传感器的实际等效电路n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, , 因此还须考虑因此还须考虑连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容C Cc c, , 放大器的输入电放大器的输入电R Ri i, , 输入电容输入电容C Ci i以及以及压电传感器的泄漏电阻压电传感器的泄漏电阻R Ra a, , 这样压电传感器这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路在测量系统中的实际等效电路, , 如图所示如图所示: :（2）压电式传感器的测量电路n压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，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的因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器前置放大器，其，其作用作用为：为： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；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。二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可