传感器原理及检测技术_第5章_压电式传感器

1、1第5章 压电式传感器2本章主要内容5.1 5.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 5.2 5.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 5.3 5.3 压电式传感器的基本性能指标及误差压电式传感器的基本性能指标及误差5.4 5.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 35.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压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。电效应，是典型的有源传感器。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以特点

2、，在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。泛的应用。45.1.1 压电式传感器的原理压电效应压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应；电效应；电致伸缩效应电致伸缩效应与压电效应相反，当在电介质极与压电效

3、应相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为现象称为“逆压电效应逆压电效应” ，也叫电致伸缩效应。，也叫电致伸缩效应。 51）“压电效应”“电致伸缩效应” 压电效应具有方向性；压电效应具有方向性； 6 2）石英晶体的压电效应机理示意图 7 3）石英晶体外形及切片外形 84）晶轴命名石英晶体有石英晶体有3 3个晶轴：个晶轴：x x轴、轴、y y轴和轴和z z轴；轴；x x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴（直于光轴（z z）；）；y y轴又称为机械轴，它垂直于两个轴又

4、称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面；相对的晶柱棱面；z z轴又称光轴，它与晶体的纵轴轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。线方向一致。95）产生电荷的条件在无外力作用时，电荷不会移动；在无外力作用时，电荷不会移动； 当晶体沿电轴（当晶体沿电轴（x x轴）方向受到压力时，晶格产生轴）方向受到压力时，晶格产生变形，正负电荷中心分离，表面带电；变形，正负电荷中心分离，表面带电； 同样，当晶体的机械轴（同样，当晶体的机械轴（y y轴）方向受到压力时，轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形也会产生晶格变形 ，正负电荷中心分离，表面带，正负电荷中心分离，表面带电；电；当晶体的光轴（当晶体的光轴（z z轴

5、）方向受到受力时，由于晶格轴）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。生压电效应。106）结论l大小：沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生大小：沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，与力的大小成的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，与力的大小成正比；正比；l有无：能否产生电荷与受力面有关；有无：能否产生电荷与受力面有关；l极性：沿机械轴的压力（或拉力）引起的电荷极性：沿机械轴的压力（或拉力）引起的电荷 极性与沿电轴的压力（或拉力）引起的电荷极性恰极性与沿电轴的压力（或拉力）引起的电荷极性

6、恰好相反。好相反。 115.1.2 压电材料 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有有3 3类：压电晶体、经过极化处理的压电陶类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。瓷、高分子压电材料。12石英晶体的压电效应与其内部结构有关；石英晶体的压电效应与其内部结构有关；石英晶体的化学式为石英晶体的化学式为SiOSiO2 2，它的每个晶胞中，它的每个晶胞中有有3 3个硅离子和个硅离子和6 6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子，一个硅离子和两个氧离

7、子交替排列（氧离子是成对出现的）；个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）；沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列结构。结构。1）石英晶体得益于晶格排列 132）天然石英晶体照片142）天然石英晶体照片（续） 2022-6-8153）石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片封装成晶振封装成晶振161）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出而产生稳定的振荡输出频率。频率。一种有源晶振一种有源晶振5.1.3 实物及

8、应用举例 172）压电陶瓷外形183）高分子压电薄膜及拉制 194）高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆205）高分子压电踏脚板可用于制作报警传感器可用于制作报警传感器216）压电式脚踏报警器225.2 压电传感器的测量电路压电晶片的连接压电晶片的连接将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件；等效电路等效电路当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为：dSdSCra023压电元件的等效电路 压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也可压电元件等效为一个与电容

9、相并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源，以等效为一个与电容相串联的电压源，2022-6-824基本测量电路压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的前前置放大电路置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、记配合，与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少；少；了解式了解式5-115-185-115-18（P100P101P100P101）；）；25基本测量电路压电式传感器的前置放大器的作用有两个：压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低

10、阻抗输出；一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。二是把传感器的微弱信号进行放大。261）电压放大器 压电传感器的高频响应较好，通常用于高频交变力的测量。压电传感器的高频响应较好，通常用于高频交变力的测量。电压灵敏度为：电压灵敏度为： FmFm为受力；为受力； d d为压电系数。为压电系数。CCdFUKamimu272）电荷放大器 并联输出型压电元件可以等效为电荷源。并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器电荷放大器实实际上是一个具有反馈电容际上是一个具有反馈电容CfCf的高增益运算放大器电路的高增益运算放大器电路 电荷放大器原理图电荷放大器原理图 电荷放

11、大器的输出电压电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略他因素的影响可以忽略不计。不计。 284)压电式传感器的输出信号根据压电式传感器的工作原理及等效电路，根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式；大器和电压放大器两种形式；由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。有关，故目前多采

12、用电荷放大器。2022-6-8295.3 压电式传感器的基本性能指标及误差压电式传感器的基本性能指标包括灵敏度、压电式传感器的基本性能指标包括灵敏度、频率特性、精度和绝缘电阻等；在这里，误频率特性、精度和绝缘电阻等；在这里，误差主要介绍的是压电式传感器与环境因素相差主要介绍的是压电式传感器与环境因素相关的误差，主要是由环境温度、湿度以及接关的误差，主要是由环境温度、湿度以及接线等引起的。线等引起的。2022-6-8305.3.1 压电式传感器的基本性能指标灵敏度灵敏度频率特性频率特性精度精度绝缘电阻绝缘电阻315.3.2 压电式传感器的误差环境温度的影响环境温度的影响环境湿度的影响环境湿度的影

13、响电缆噪声电缆噪声接地回路噪声接地回路噪声325.3.3 压电式传感器的应用1)压电式加速度传感器基本原理335.3.3 压电式传感器的应用2)压缩式压电加速度传感器的结构图34353）压电式压力传感器压电式压力传感器主要由本体、弹性敏感元压电式压力传感器主要由本体、弹性敏感元件和压电元件组成，其结构简图如图所示：件和压电元件组成，其结构简图如图所示：364）集成压电传感器随着现代微电子技术的发展，集成的压电传感器随着现代微电子技术的发展，集成的压电传感器已在工程中获得了广泛的应用；已在工程中获得了广泛的应用；集成的压电传感器是把压电传感器和前置放大器集成的压电传感器是把压电传感器和前置放大器集成在一起；集成在一起；集成的压电传感器有三种集成的压电传感器有三种一种是内装式微型一种是内装式微型电荷或电压放大器的集成压电传感器，一种是恒电荷或电压放大器的集成压电传感器，一种是恒流源供电的集成压电传感器；还有一种是恒压源流源供电的集成压电传感器；还有一种是恒压源供电的集成压电传感器。供电的集成压电传感器。37集成压电传感器的优点（1 1）集成了前置放大器，及相关电路，简化）集成了前置放大器，及相关电路，简化了测量系统，降低了成本；了测量系统，降低了成本；（2 2）传输信号的