3-3-2电量型-电荷输出型

常用传感器

传感器定义、组成及分类

电参量型传感器

电量型传感器

光电式传感器

光纤传感器数字式传感器2024/9/261电压输出型传感器电荷输出型传感器电量型传感器测量电路电量型传感器2024/9/262电荷输出型传感器被测量变化能引起传感器输出电荷或电流变化的传感器统称为电荷输出型传感器。电荷输出型传感器直接输出的是电量，后续测量电路只需电荷放大器或电压放大器即可。在此将重点介绍典型的电荷输出性传感器——压电式传感器。

2024/9/263压电式传感器(PiezoelectricSensor)是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。能实现机械能和电能的相互转换，是典型的双向能量转换型传感器，故又称为自发电式和机电转换式传感器。应用其正压电效应可实现压力等非电量的电测量，输出电荷量，是典型的电量型传感器；应用其逆压电效应，可制成力发生器、位移驱动器等。压电式传感器2024/9/264压电效应压电效应：某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷；当外力撤消后，物体又重新回到不带电状态，这种现象成为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性随之改变，把这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”，简称压电效应。

压电式传感器FF极化面图3.57

正压电效应原理图2024/9/265压电效应压电式传感器三效应：横向效应：沿y轴加力切向效应：垂直z轴方向形成力矩。纵向效应横向效应切向效应石英晶体的三轴：X轴—电轴。在垂直于此轴的面上压电效应最强。Z轴—光轴，也称中性轴。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿该轴方向上没有压电效应。Y轴—机械轴。在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。纵向效应：沿x轴加力2024/9/266压电效应压电式传感器逆压电效应(Reversepiezoelectriceffect)：由于外电场作用导致物体的机械变形现象，称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。具有压电性的电介质（压电材料），能实现机-电能量的相互转换。2024/9/267压电材料压电材料的主要性能参数：压电常数(piezoelectricityconstant)：衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。弹性常数(elasticityconstant)：材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。介电常数(dielectricconstant)：固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。机电耦合系数(machine-electricalcouplingcoefficient)：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。电阻(resistance)：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。居里点(curiepoint)：压电材料开始丧失压电性的温度。压电式传感器2024/9/268压电材料压电材料的分类：压电晶体(piezoelectriccrystal)、压电陶瓷(piezoelectricceramics)、新型压电材料。石英晶体（quartz，SiO2）具有压电性的单晶体统称为压电晶体。单晶材料的压电效应是由于这些单晶受外应力时内部晶格结构变形，是原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化。石英晶体是典型而常用的压电晶体。主要性能特点：压电常数小，其时间和温度稳定性好;机械强度和品质因数高，刚度大，固有频率高，动态特性好;居里点573℃，无热释电性，且绝缘性好、重复性均好。压电式传感器2024/9/269压电材料石英陶瓷(piezoelectricceramics)压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处理。极化处理（polarization）

：在一定温度下对材料施加强直流电场，迫使“电筹”趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电筹基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。压电式传感器2024/9/2610压电材料石英陶瓷(piezoelectricceramics)主要性能特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用；具有热释电性。新型压电材料新型压电材料常见的有压电半导体和有机高分子压电材料。压电半导体（piezoelectricsemiconductor）：其显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。有机高分子压电材料：合成高分子聚合物（质轻柔软，抗拉强度较高，蠕变小，耐冲击，热释电性和稳定相较好，便于批量生产和大面积使用）；高分化合物掺杂压电陶瓷的高分子压电薄膜（保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数）。压电式传感器2024/9/2611压电传感器及其等效电路压电器件实际上是一个电荷发生器，也可视为一个电容器。等效电容：压电式传感器FFδ金属板图3.61

压电元件2024/9/2612压电传感器及其等效电路等效电荷源：压电式传感器QCaRaCcCiRi压电元件(a)电荷源等效电路RaCaURiCiCc压电元件(b)电压源等效电路其输出电荷灵敏度为：等效电压源：其输出电压灵敏度为：2024/9/2613压电传感器的应用压电式传感器的物理基础是正压电效应（压电效应），根据压电敏感元件感受力的作用而产生的电压或电荷的大小和极性，就可以确定作用力的大小和方向。压电式传感器可以直接用于测量动态力、压力、位移、振动加速度等，也可用于声学(包括超声)和声发射等测量。

传感器的连接方式：在压电晶片的两工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，外接两个引出线。压电式传感器并接：（极板面积变大）电容量大，输出电荷量大，适于以电荷量作输出信号；时间常数大，宜于测量缓变信号。串接：（极距变大）传感器本身电容小，输出电压大，适于以电压作输出信号。2024/9/2614压电传感器的应用压电式传感器的测量特点：测量静态或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载，以防止电荷经测量电路的漏失或使之减小到最小程度；适于动态测量，如加速度传感器、振动传感器等。压电加速度传感器测量原理：压电式传感器结构型式：2024/9/2615压电传感器的应用逆压电式传感器应用：压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电场于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如，对压电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动装置。压电加速度传感器压电式传感器2024/9/2616电量型传感器直接输出电量(电压、电荷或电流)，有的传感器是自源型的，直接输出对应于被测量变化的低频信号，如热电偶和压电传感器，此时只需将信号经过必要的转换和信号放大即可。自源型电量型传感器测量电路框图如图所示。图中补偿电路包括零点补偿电路、温度补偿电路、线性化补偿电路等等。电量型传感器测量电路被测量自源型电量型传感器电压V1电压放大器（电荷放大器）补偿电路电压Vo指示单元电流/电压转换电路电流I电压/电荷V/Q2024/9/2617有的电量型传感器是辅助能源型的，根据其辅助能源(电源或磁源)是直流的或交流的，其测量电路略有不同，如果是直流激励的传感器（如采用永久磁铁的磁电式传感器和直流激励的霍尔式传感器），其输出为低频电压信号，只需电压放大电路即可。电量型传感器测量电路辅助能源型电量型传感器电压放大电路指示单元