传感器及检测技术（第四版）课件 6.压电式传感器

……………压电式传感器传感器技术与应用武汉职业技术学院

熊晓倩课程内容CONTENTS压电式传感器结构03压电效应01应用举例05压电材料02应用电路04一、压电效应

某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面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，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即：

上述现象称正压电效应。

反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应。二、应变效应—工作原理力电量形变二、应变效应—工作原理

（a）材料受压（b）材料受拉（c）材料受压

（d）材料受拉作用力的方向不同，产生电荷的方向也不同；力的作用面不同，产生的电荷方向也不同；a，b中产生的电荷比c，d中产生的多（各向异性）。二、压电材料1.石英晶体

分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好，如下图所示。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。（a）压电常数与温度的关系

（b）介电常数与温度的关系（ａ）天然石英晶体

（b）石英晶体薄片二、压电材料2.压电陶瓷

压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。

电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。

在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用。（c）压电陶瓷二、压电材料3.有机高分子薄膜

有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。（d）高分子压电薄膜三、压电传感器的结构

压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如图

实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联，就如同将两个电容器串联和并联一样。

串联输出的电压高，自身电容小；并联输出电荷量大，电容量大。四、应用电路

由于压电传感器产生的电量非常小，且内阻极高，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。（a）电荷源等效电路

（b）电压源等效电路

前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器电荷放大电路（a）等效电路

（b）简化电路五、应用举例1、加速度传感器

压电式加速度传感器结构如图所示。

主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。五、应用举例

当压电式加速度传感器和被测物体一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力F是加速度a的函数，即F=ma五、应用举例

惯性力F作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选定后，质量块的质量m为常数，则传感器输出电荷q为q=d11F=d11ma五、应用举例2.压电式传感器再测漏中的应用

如果地面下一均匀的自来水直管道某点O漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用的