第十二次课压电传感器装置

热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。前次课程简要回顾－热电偶原理－热电效应温差电动势接触电动势ABTT0忽略温差电势后有：固定T0后有：AB热电效应－回路总电势热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。热电偶测温基本定律

第七章压电式传感器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。2023/7/76一、压电效应

天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。_y逆压电效应压电效应2023/7/77

在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。2023/7/78二、压电材料及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体（如石英晶体）；经过极化处理的压电陶瓷；高分子压电材料。2023/7/791、石英晶体石英晶体是最常用的压电晶体之一。它理想的几何形状为正六面体晶柱。在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。xyz2023/7/710石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显，电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。2023/7/7112、压电陶瓷

压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构2023/7/712压电陶瓷产品压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。2023/7/7133、高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。2023/7/714三、压电传感器的等效电路和测量电路以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。三、压电传感器的等效电路和测量电路

压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为ε0为真空介电常数；εr为压电材料的相对介电常数；δ为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。（一）等效电路2023/7/716因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。1、等效电路电荷等效电路电压等效电路2023/7/7172、完整等效电路

压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。压电传感器的实际等效电路2023/7/7193、灵敏度

既然压电传感器可以等效为电压源或电荷源，那么，压电传感器的灵敏度也有两种表示方式。一种用单位外力作用下产生的电压表示，称为电压灵敏度，用ku表示，ku=u/F；另一种则可用单位外力作用下产生的电荷表示，称为电荷灵敏度，用kq表示，kq=q/F。 电压灵敏度与电荷灵敏度的关系用下式表示：2023/7/720（二）测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。2023/7/7211、电压放大器若压电元件受正弦力F=Fmsinωt的作用,则其电压为电阻R=RaRi/(Ra+Ri)电容C=Cc+Ci,ua=q/Ca送入放大器输入端的电压为：uaCa2023/7/722前置放大器的输入电压的幅值:输入电压和作用力之间相位差:理想情况下,传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大,即ω（Ca+C）R》1,那么理想情况下输入电压幅值Uim:2023/7/7232023/7/724讨论ω=0（静态量）时→Uim=0（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量ωτ>>3（高频情况），Uim/Uam≈1，实际接近理想输入电压与作用力频率无关τ一定，ω越高，高频响应越好对低频测量情况：τ一定，ω↓偏差越大所以要求τ要大，扩大低频响应范围输出电压灵敏度受电缆分布电容影响2023/7/725改善低频特性的措施：∴可根据给定精度合理选择电压放大器Ri2023/7/7262、电荷放大器为改善压电传感器的低频特性，常采用电荷放大器。电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成，电荷放大器等效电路：q输出与电缆电容无关电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷和反馈电容，且与q成正比，与电缆电容无关，因此可以采用长电缆进行远距离测量，并且电缆电容变化也不影响灵敏度，这是电荷放大器的最大特点。2023/7/727

电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。四通道电荷放大器外形电荷放大器外形2023/7/728四、压电传感器应用压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。（1）基座和外壳（2）压电元件（3）敏感元件（4）预载件（5）引线及插件（一）压电式加速度传感器1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。基座壳体弹簧质量块压电片F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a2023/7/730（二）交通监测

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。2023/7/731高分子压电电缆的应用演示

将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。

2023/7/732（三）压电式玻璃破碎报警器将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信