第五章压电传感器

1、第五章 压电式传感器 压电式传感器：当压电式传感器：当外力外力作用于作用于某些晶体某些晶体时，发生时，发生压电压电效应效应，在晶体表面产生电荷，通过检测发电电荷量的大，在晶体表面产生电荷，通过检测发电电荷量的大小测出作用力的大小。小测出作用力的大小。 可制成力、压力、加速度等传感器。可制成力、压力、加速度等传感器。 体积小、轻便、频带宽、灵敏度高。体积小、轻便、频带宽、灵敏度高。 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，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。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

2、动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。2主要内容 5.1压电效应及压电材料 5.2压电式传感器测量电路 5.3压电式传感器的应用 第一节 压电效应及压电材料 压电效应：压电效应：某些晶体在一定方向上受到外力作用时，某些晶体在一定方向上受到外力作用时，内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面上产生符号内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷。相反的电荷。当外力除去时，电荷消失；当外力反向时，当外力除去时，电荷消失；当外力反向时，电荷极性也反向。电荷极性也反向。被称为压电效应。被称为压电效应。 一、一、压电效应压电效应 4压电效应可逆性 5二、压电效应原

3、理 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴。 z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。6 石英晶体及切片 7 石英晶体的压电效应机理 1正电荷等效中心 2负电荷等效中心8说 明 （1）在无外力作用时 （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形 （3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形 （4）当晶体的光轴（z轴

4、）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 石英晶体石英晶体的压电效应的压电效应 石英：二氧化硅单晶，石英：二氧化硅单晶， 六角棱柱体，六角棱柱体， X、Y、Z三个晶轴。三个晶轴。x光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴坐标轴坐标轴晶体切块晶体切块1 1、X X向应力向应力-纵向压电效应纵向压电效应xxxxxFdq电荷计算：电荷计算：2 2、Y Y向应力向应力横向压电效应横向压电效应光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴晶体切块晶体切块压力压力拉力拉力xxqyxyxyFbadqxyq压力压力拉力拉力xxd分别为两个方向的压电系数。分别为两个方向的压电系数。xydxxxydd

5、且：且：关于压电效应的关于压电效应的解释：解释：硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子石英晶体石英晶体在在X-Y平面平面离子分布离子分布X方向受力方向受力Y方向受力方向受力Z Z方向受力方向受力将不产生压电效应！将不产生压电效应！5.1.2 5.1.2 压电压电材料材料一一、压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数要求：要求：1 1）压电常数大；）压电常数大； 2 2）机械强度高；）机械强度高； 3 3）电阻率大，介电常数大；）电阻率大，介电常数大； 4 4）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高；）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高； 5 5）时间稳定性

6、好。）时间稳定性好。（1）压电常数（2）弹性常数（3）介电常数（4）机械耦合系数（5）绝缘电阻（6）居里点（一）石英晶体（一）石英晶体（二）水溶性压电晶体（二）水溶性压电晶体（三）铌酸锂晶体（三）铌酸锂晶体（四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁酸铅）（四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁酸铅）（五）压电半导体（五）压电半导体（六）高分子压电材料（六）高分子压电材料二、常用压电材料14石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形15压电陶瓷外形压电陶瓷外形 16高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 5.25.2 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路一、压电

7、式传感器的等效电路一、压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为压电式传感器可以等效为电荷源电荷源和和压电元件电容器的压电元件电容器的并联并联电路；也可以等效为电路；也可以等效为电压源和电容器电压源和电容器的串联电路。的串联电路。其中电容器为：其中电容器为：hACa0压电元件极板面积压电元件极板面积 元件厚度元件厚度相对介电常数相对介电常数 当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻电缆电容电缆电容放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容电缆电容电缆电容传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容二、

8、压电式传感器的测量电路二、压电式传感器的测量电路)(tfdQatFtfmsin)(amaAaCtFdCQusin由：由：得：得：iuiu化化简简aCiaaaiCCCtfdtfdCCRjRjCjRCjCjRuu)()()(1)/()/ 1 ()/ 1/(电缆长度会影响灵敏度！电缆长度会影响灵敏度！（一）电压放大器（一）电压放大器（二）电荷放大器（二）电荷放大器忽略三个电阻的影响，忽略三个电阻的影响，输入到运放的电荷：输入到运放的电荷：fiQQQ又又)(0UUCQiffiQfQiu0u+ + + + + +)(00UAUCfiaCiiUCCCQ)(及及（1 1）将将 、 代入（代入（1 1）式，得：）式，得：iQfQffaCiCQCACCCAQU)1 ()(0灵敏度：灵敏度：fCQUk105.35.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用（一）压电式力传感器（一）压电式力传感器底座底座插座插座盖板盖板晶片晶片绝缘套绝缘套（二）压电式压力