第6章 压电式传感器

1、传感器原理及应用,第6章压电式传感器,1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,概述,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.1压电效应,某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极

2、性也随之改变；这种现象称压电效应。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.1压电效应,压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能转化成电能也可以将电能转化成机械能。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.1石英晶体,自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。,外形结构,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.1石英晶体,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材

3、料6.2.1石英晶体,压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:2为Y方向应力压电系数d11=d12为常数a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚),传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.1石英晶体,石英晶体压电模型,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.1石英晶体,石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方

4、向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）,施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体

5、。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.2压电材料6.2.2压电陶瓷（多晶体）,晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：,电荷密度：d33压电陶瓷的纵向压电常数，d33比d11、d12大的多，所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.3压电元件结构形式,在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：,U,+,电路串联,+,_,_,+,_,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4

6、等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路,电压灵敏度电荷灵敏度它们之间的关系,等效电压源,等效电流源,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路,前置电路有两个作用，一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；根据等效电路压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器电荷放大器,若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用,则其电压为,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路,的幅值为,输

7、入电压和作用力之间相位差为,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）,讨论：压电传感器不能测量静态物理量；当/03时，输入与信号频率无关，高频响应特性好；提高低频响应的办法是增大，但不能靠输入电容。实际办法是增大前置输入回路电阻，所以电压放大器响应差，要求前置电路具有高输入阻抗；从传感器电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。,传感器原理及应用

8、,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路（2）电荷放大器,为解决电缆分布电容对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点可采用电荷放大，而且集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。,电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路（2）电荷放大器,工作频率足够高时可求得电荷放大器输出电压,可认为,当A1满足,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路（2）电荷放大器,可见：电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc

9、无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,6.4等效电路与测量电路6.4.2测量电路,阻抗变换电路举例：用场放应管实现高阻抗匹配放大自举反馈电路（跟随器）。,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,65压电传感器的应用,1压电晶体振荡器；2压电加速度计传感器；3压电式玻璃破碎报警器；4血压测量；5压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；6新型压电材料（聚偏二氟乙烯）,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,65压电传感器的应用,晶体管声、光控开关电路,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,65压电传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器,传感器原理及应用,第6章压电式传感器,65压电传感器的应用,压电式压力传感器,传感器原理及应用,第