检测技术6压电式课件

第6章压电式传感器压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。下页返回第6章压电式传感器6.1压电转换元件的工作原理--压电效应6.2压电材料6.3等效电路6.4测量电路6.5压电式传感器的应用举例本章要点下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。

下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理压电方程和压电常数矩阵压电效应正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象；逆压电效应——如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形的现象。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理天然石英晶体的结构外形光轴(Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,且无压电效应；电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著;机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最大。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理压电方程——压电效应的数学表达式压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比。精确表达式式中：dij是压电常数，单位为(C/N)；Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2);σi是单位面积上的作用力（应力），单位为(N/cm2）。下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理石英晶体压电效应机理：下页上页返回6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz），只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx，Fy有关：(1)P1≠0，P2=P3=0,(当只有Fx或Fy时)：

d11=-d12≠0,d21=d31=0,d22=d32=0;(2)P1=P2=P3=0,(当只有Fz时)：

d13=d23=d33=0;6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D上出现电荷：(3)P1≠0，P2=P3=0,(当只有σ4时,使晶体在x方向有伸缩,等效有σ1作用)：

d14≠0,d24=d34=0;(4)P2≠0，P1=P3=0,(当只有σ5、σ6时,改变了晶体在y方向无电荷的状况)：

d25≠0,d26≠0,d15=d35=0,d16=d36=0;6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回压电陶瓷压电效应机理压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。多晶：由无数细微单晶组成；铁电体：具有电畴结构；电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴”规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形成压电陶瓷。压电常数矩：注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。6.1压电转换元件的工作原理下页上页返回单向应力的压电方程表达其中，P=Q/S，σ=F/S（S为作用面的面积），压电陶瓷与石英晶体比较压电陶瓷效果显著。6.3等效电路压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：

式中s--极板面积εr--压电材料相对介电常数

0--真空介电常数δ--压电元件厚度下页上页返回Ra是压电元件的漏电阻6.3等效电路当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为

这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路；同时也等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路。其中Ra为压电元件的漏电阻。下页上页返回6.3等效电路压电式传感器的灵敏度电压灵敏度：单位力产生的电压；电荷灵敏度：单位力产生的电荷；，。

下页上页返回6.4测量电路下页上页返回Ri、Ci、Cc分别为放大器的输入电阻、输入电容和电缆线的电容电压放大器和电荷放大器：6.4测量电路6.4.1电压放大器

电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。下页上页返回其中6.4测量电路6.4.1电压放大器

以压电陶瓷为例设压电陶瓷受到交变外力F1作用下页上页返回用复数表示放大器的输入电压6.4测量电路6.4.1电压放大器

得下页上页返回6.4测量电路6.4.1电压放大器电压电压幅值比和相角与频率比的关系曲线从曲线知ω=0，Um=0，电荷被泄漏，压电式

传感器不能测量静态量(灵敏度下降)；ω>3ω1,Um与作用力的频率无关,

高频响应非常好;下页上页返回6.4测量电路6.4.1电压放大器电压灵敏度下页上页返回由此可知：要扩大低频响应范围,必须增加R(而不是C)来增加测量回路的时间常数τ=R(C+Ca),否则,电压灵敏度kU下降;6.4测量电路6.4.2电荷放大器由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。下页上页返回6.4测量电路6.4.2电荷放大器特点：消除电缆分布电容的影响；具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。电路简化：忽略Ri，Ra（∞），运放的K足够大,高频忽略RF；(低频时RF不能忽略)。下页上页返回6.4测量电路6.4.2电荷放大器输出U0可以简化下页上页返回注意到(1+K)CF>>(CC+Ca+Ci),6.4测量电路6.4.2电荷放大器

下页上页返回特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q，输出灵敏度不受电缆分布电容的影响;(2)适用于——高频(gF<<jωCF);低频时输出(RF不能忽略)6.4测量电路下页上页返回6.4.2电荷放大器特点：(1)输出电压U正比于输入电荷Q;(2)输出电压与反馈回路参数有关（CF，RF）;当RF=1/ωCF

时，其幅值为理想值的倍，此时，增益下降3db，即为下限频率处：fL可以通过CF，RF来调整，低频响应好。

6.5压电式传感器的应用举例

特点：压电元件是一种