传感检测技术及其应用 第7章

传感检测技术及其应用

第二篇典型传感器的原理

及其应用技术Sunday,February5,2023第7章压电式传感器1.掌握压电式传感器的工作原理；

2.了解压电式传感器的等效电路；3.了解压电式传感器的测量电路；4.理解压电式传感器的应用。压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。

2/5/20232第1节压电效应及压电材料

压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。某些晶体在外力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为压电效应。

一、压电效应2/5/20233与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。

二、压电材料具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大；高电阻率和介电系数；稳定性好。

2/5/20234光轴：z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。电轴：x轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。1.石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。

2/5/20235机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：

Qx=dxFx

式中dx－纵向压电常数；

Fx－作用力。

2/5/202362/5/20237横向压电效应：沿y轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为式中dy－横向压电常数；Fy－作用力；

sx、sy

－分别为与x轴、y轴相垂直的表面面积；a－x轴向厚度；b－y轴向长度。由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。2/5/20238根据石英晶体轴对称的条件，dy=dx，从而：即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。切向压电效应：沿x轴或y轴施加剪切力，晶体表面产生电荷的现象。沿x轴的剪切力产生的电荷出现在与y轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）；沿y轴的剪切力产生的电荷出现在与x轴垂直的表面上。

2/5/20239天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx

=2.310-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在20～200C内，温度每升高1C，压电系数仅减小0.016%，升高到200C时，仅减小5%，达到573C时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。

2/5/202310

其它压电晶体有铌酸锂（LiNbO3），居里点1210C，具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，抗冲击性差。钽酸锂（LiTaO3），居里点666C，压电常数为石英的3倍。酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O），压电系数较大（dx=310-9C/N），但机械强度低，机械强度、电阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。

2/5/2023112.多晶压电陶瓷

（压电陶瓷）

由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。

①钛酸钡（BaTiO3）

由碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2按1：1摩尔比混合烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高(1200)，居里点约120C。

2/5/202312②锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷

居里点300C左右，压电常数70～80010-12C/N，性能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。

3.高分子有机压电材料

聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。

4.压电半导体

具有压电和半导体两种特性，易于集成。

2/5/2023132/5/2023142/5/202315第2节压电式传感器的测量电路

金属膜FF

a)压电晶片b)等效电荷源c)等效电压源Ca

Ra

QCa

Ra

ua

压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电荷和电容为：电容两极板间开路电压为：等效电路中电流一、压电元件的等效电路2/5/202316若考虑负载（测量电路），等效电路如下：a)电荷源等效电路Ca

Ra

QCc

Ri

Ci

b)电压源等效电路Ca

Ra

ua

Cc

Ri

Ci

其中，Ra、Ca压电元件的电阻和电容；Cc为电缆寄生电容；Ci为后续测量电路的输入电容。2/5/202317二、压电元件放大电路

压电元件内阻高，电荷信号微弱。因此要前置放大器。前置放大器要具备如下两个特点：（1）将压电元件的高阻抗输出转换为低阻抗输出，使之能用一般方法进行信号处理；（2）同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能力。前置放大器的种类有电压放大器和电荷放大器。2/5/202318Ca

Ra

电压放大电路ua

Cc

Ri

Ci

-Aui

uo

1.电压放大器

在压电元件等效电路中，Ca和Cc、Ci相比很小。而Rc和Ra、Ri相比很大，在并联电路中可以忽略，等效电阻和电容分别为：总阻抗为当压电元件受到交变力F=Fmsinωt2/5/202319输入端电压幅值：电路中的电流为输入端电压相位：输入端电压电压放大器输出电压幅值式中A电压放大器的电压放大倍数。2/5/202320，则：当作用力频率与电路时间常数RC足够大时，Uim、ku、Uom与Cc有关，当改变电缆长度或布线

方法时，Uim、ku

、Uom都会改变，从而导致测量误差。

显然：压电元件的电压灵敏度2/5/202321若压电器件上作用静态力（

=0），Uim和ku均等于0。即压电传感器不能测量静态力。若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(RC)2>>1，减少对Uim和ku的影响。显然增加电容C会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低频响应越好。下限频率：（一般Ra>>Ri）2/5/202322

对动态测量，较大，易满足(RC)2>>1，此时Uim和ku

近似与

无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。

2.电荷放大器

电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。

电荷放大电路Ca

Ra

QCc

Ri

-Aui

uo

Cf

Ci

2/5/202323电荷放大电路Ca

Ra

QCc

Ri

Ci

-Aui

uo

(1+A)Cf

其中C=Ca+Cc

+Ci

+(1+A)Cf

。

放大器的输出电压幅值为：

把反馈电容Cf等效到放大器输入端后，其放大器等效电如右图，同样可求得输入端电压幅值：2/5/202324若A足够大（一般100dB以上），则：

(1+A)Cf

>>Ca+Cc

+Ci

式中负号表示放大器的输出信号与输入信号反相。上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和Ci无关。电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度，这是电荷放大器的突出优点。2/5/202325

由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻Rf（约108～1012），以稳定放大器的直流工作点。

电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。2/5/202326＊能量转换型（发电型）传感器；＊体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围；＊灵敏度高，稳定性好。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关；＊有比较理想的线性，且通常没有滞后现象；＊低频特性较差，主要用于动态测量；＊存在横向效应，影响测量结果；＊应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆；＊工作原理可逆。3.压电式传感器的特点2/5/202327三、测量电路在应用中，压电传感器测量电路的组成如图7-11所示。图7-112/5/202328第3节压电式传感器应用一、压电元件组合为了增大压电元器件输出，常采用两个（较多见）或两个以上的压电元件串联或并联。n个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n，输出电压为单片晶体电压的n倍。串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。++++++++++----------FF2/5/202329++++++++++----------FF

n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷