第三节发电型传感器-2-压电

第三章信号的获取第三节发电型传感器一、磁电式传感器二、压电式传感器三、热电偶传感器二、压电式传感器某些晶体电介质，施加一定方向的外力使之变形，其表面产生电荷；外力去除后，介质表面又回到不带电状态

——正压电效应对其表面施以电场，则介质将产生机械变形

——逆压电效应压电效应具有极性外加作用力从压力变为拉力，介质表面上产生的电荷会改变符号1.基本原理具有压电效应的材料称为压电材料压电晶体，即：天然的单晶体，如天然石英晶体等压电陶瓷，即：人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅(简称PZT)等有机聚合物的铁电体加工而成的压电薄膜是一种柔性薄膜压电新材料，常用的有：聚偏氟乙烯(PVF2)等

适于特殊表面形状上的测力，是一种很有前途的压电材料天然晶体性能稳定、机械性能好；人造晶体的灵敏度较高

应用领域不同压电陶瓷和压电薄膜等人造压电材料需作极化处理后才具有压电性能

人造压电材料在高压电场下放置数小时，使内部晶体整齐排列只有通过极化处理，这种材料才能实际应用天然石英晶体的结晶体是一种六角形晶柱三根轴线。

(1)光轴：纵轴线oz(2)电轴：通过六角棱线而与光轴垂直的轴线ox(3)机轴：垂直于棱面和光轴的轴线oy从石英晶体内取出一片长方体晶体片

其各棱边与各轴平行

天然石英晶体的结晶体受力方向不同，引起压电晶体切片的不同变形，可在不同表面上测得电荷实用压电效应有三种类型(见上图)

虚线表示压电晶体切片的原始形状

实线表示压电晶体切片的受力变形后的形状图(a)是纵向压电效应，压电片在x方向上受正向应力

变形后在垂直于x方向的平面上产生电荷图(b)是横向压电效应，压电片在y方向上受正向应力

则它还在垂直于x方向的平面上产生电荷图(c)是切向压电效应，压电片在y方向上受切向应力

则在垂直于x方向的平面上产生电荷压电片在某特定平面上所产生的电荷量可由下式决定式中：q——在某特定面上产生的电荷量；

D——压电常数，与压电片材料、切片方向以及受力方向及性质(正应力或切应力)、在何平面上测量电荷等因素有关(有专用表格可查找)；

K——压电片的刚度；

δ——压电片的变形量。石英晶体受力后在表面上产生电荷，其机理可用晶胞模型说明石英晶体是一种二氧化硅(SiO2)结晶体(见上图)该图是由z方向观察的，图中的大圆是硅原子，小圆为氧原子，因硅原子带4个单位正电荷，氧原子带2个单位负电荷，各原子的电荷平衡，整个晶胞呈中性，如图(b)所示模型简化后，让每个氧原子带4个单位负电荷，得到图中(b)的晶胞模型，其各方向对称在x轴方向上施加压力，使晶胞变形(图c)，带正电荷的硅原子1与带负电荷的氧原子4之间距离变小，氧原子2、6与硅原子3、5更接近两表面，原子间电场不平衡，使沿x轴方向改变距离的两种原子两端出现极性相反的游离电荷——纵向压电效应在y轴方向上施加压力(见图d)，硅原子3、5和氧原子2、6皆被压入在y轴两端电场相对平衡，y轴两端没有游离电荷，在x方向两端电场失去平衡而产生电荷——横向压电效应应用压电晶体受力变形产生表面电荷的原理，可以做成两种类型的传感器右图是压电式力传感器的结构图为提高传感器的灵敏度往往采用两片压电晶体片对放被测力作用在弹性顶盖上，直接传递到压电片上2．压电传感器压电片受力变形产生电荷，由引线输出输出的电荷大小反映了作用力数值右图是三向力传感器，它可分别测出x，y，z三个方向分量的合成力内部含有感知三个方向力的压电片元件(图a)每一方向有两片敏感压电片为了能分别感知3个方向的分力，三组压电片利用了两种不同的压电效应利用横向或纵向压电效应感受z方向正压力利用剪切压电效应感受x和y方向侧向压力三对压电片电荷分别反映三个方向力的分量2．压电传感器压电晶体在受力变形后所产生的电荷量极其微弱压电片本身的内阻很大，压电片输出的功率极为微弱后续放大电路主要有两个方面的特殊要求：

高灵敏度高输入阻抗只有满足这些要求，才能把微弱的电荷信号测量出来现在采用下列两种形式：

电压放大器电荷放大器3.电荷的测量为了有效集中电荷，在压电晶体片两个工作表面镀覆薄金属层(图a)

压电晶体片接入电路，既是一个电荷源(q)，又是一个小电容器(Ca)(图b)

压电片至放大器之间的两输出引线间存在着寄生电容(Cc)，也在微弱电荷测量中起作用，需考虑输人等效电路后续放大器从输入端观察，可等效为一总的等效电容(Ci)和等效电阻(Ri)(1)电压放大器电压放大器的等效原理线路压电片在未接入电路前，若它两表面上存在电荷量q，两极板的电位差为：(1)电压放大器在接入后续电路后，放大器的输入电压为：若后续放大器为线性放大，则最终输出为：(3-35)(3-36)(3-37)(1)电压放大器(3-37)由式(3-37)，常规接出电荷输出，经放大后其电压输出与输入电荷成正比

——这是所希望的特性但输入电压还与各部分的电容有关公式中所含的三部分电容中压电晶体Ca与后续放大器的等效电容Ci通常不会变化，而引出电缆线的电容Cc

随其长度和形状变化

——这会给测量带来输出不稳定的因素振动测试中，若电缆随着被测物体一起振动，还会引起噪声干扰使用时需特别注意使电缆长度保持标定时的值不变

——布置时需妥善安排电缆的形状、位置以免引起输出的变动和干扰(2)电荷放大器为解决电压放大器中寄生电容的影响，使输出电压仅取决于电荷

——出现了电荷放大器引入线路的等效电路如右图所示主要的变化之处是在放大器输入端增加一个带有反馈电容Cf的运算放大器先将3个电容Ca，Cc，Ci和已按串并联计算简化折算成一个电容C0，则：(3-38)(2)电荷放大器线路可简化成图(b)，电荷q分布在C0和Cf上，两个电容上具有下式关系：(3-39)因ein对运算放大器作反向端输入，故：(3-40)式中，K为运算放大器的增益。将式(3-40)代入式(3-39)作简化后得：由于K值极大，所以1+K≈K，又Cf(1+K)》C0，C0可以略去而得：(3-41)(2)电荷放大器输电压与电荷成正比制作线路时若使