1、第5章 压电式传感器,第5章 压电式传感器,主要内容 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,第5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。,第5章 压电式传感器,概述,第5章 压电式传感器,5.1 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；
2、 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变； 这种现象称压电效应。,第5章 压电式传感器,5.1 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。,石英晶体无体积变形,第5章 压电式传感器,5.1 压电效应,压电材料包括：石英晶体、压电陶瓷、高分子材料及压电半导体。 石英晶体：SiO2, 铌酸锂(LiNbO2)，主要是单晶， 压电系数较低。 压电陶瓷：PZT，PWN，人工制造的多晶。压电系数 较高,为石英晶体的几十到几百倍。 高分子材料：PVF、PVDF、PV
3、C，柔软，不易碎，可防水;可制成薄膜及套管状。压电系数较压电陶瓷高几十倍。 压电半导体: ZnS GaAs,易于集成一体化,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 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 现石英晶体和铌酸锂是优能的压电材料。,外形结构,L,h,b,L,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 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: 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: 压电系数
4、 d11=d12 为常数 l 、b、h是晶体切片几何尺寸(长 、宽、厚),第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体,石英晶体压电模型,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 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；,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体,纵向压电效应：在X轴方向上施加力F，在YZ
5、面上会产生电荷。横向压电效应：在Y轴方向施加力F，YZ面产生电荷，方向相反。在Z轴方向施加力无电荷产生。,晶片上电荷极性与受力方向关系,压电材料性能指标压电系数 d： 反映电荷与作用力的关系。(大)介电系数 ： 对一个特定几何形状的压电元件， 决定了传感器固 有电容及固有频率。居 里 点： 即最大安全温度。在此温度及以上，压电性能被破坏.(高) 最大安全应力: 刚度或机械强度。在最大安全应力内,性能稳定。(大)电阻（率）： 电阻大,电荷泄漏小，低频特性好。(大) 安 全 湿 度： 压电材料易潮湿的程度。(高),第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.1 石英晶体,第5章 压电式传感器,
6、5.2 压电材料 5.2.2 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，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。,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.2 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。,第5章 压电式传感器,5.2 压电材料 5.2.2 压电陶瓷（多晶体）,第5章 压电式传感器,5.
7、2 压电材料 5.2.2 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,q= d33 Fq= - d32 F Ax/Ay= - d31 F Ax/Ay极化方向为Z轴(下标3)，X、Y轴互易(下标1或2)，平面上各向同性。,第5章 压电式传感器,5.3 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,+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
8、+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,电路串联,+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + +,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.1 压电传感器等效电路,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.1 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,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.1 压电传感器等效电路,前置电路有两个作用， 一是放大微
9、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,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 测量电路,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器）,如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化， 产生的电荷与电压也按正弦变化:,理想情况,输入的幅值,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器）,传感器电压灵敏度,前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：,第5章 压电式传感器,
10、5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器）,令前置放大器输入回路的时间常数为：,相对幅频特性,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 测量电路（1）电压放大器（阻抗变换器）,讨论： 不能测量静态物理量； 当3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，但不能增大电容。实际办法: 增大前置输入回路电阻，即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。,第5章 压电式传感器,5.
11、4 等效电路与测量电路 5.4.2 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。,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 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,第5章 压电式传感器,5.4 等效电路与测量电路 5.4.2 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无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是
12、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。,第5章 压电式传感器,55 压电传感器的应用,1. 压电式玻璃破碎报警器； 2压电式压力传感器; 3压电加速度计传感器； 4压电换能器，超声波换能器； 5点火器,第5章 压电式传感器,55 压电传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器,第5章 压电式传感器,55 压电传感器的应用,压电式压力传感器,第5章 压电式传感器,55 压电传感器的应用,压电式加速度传感器,第5章 压电式传感器,55 压电传感器的应用,第5章 压电式传感器,55 压电传感器的应用,第5章 压电式传感器,本章小结：
13、,压电效应: 纵向压电效应, 横向压电效应逆压电效应;压电材料: 石英晶体,压电陶瓷压电元件结构形式: 串联,并联压电传感器等效电路与测量电路 （1）电压放大器（2）电荷放大器压电传感器的应用,填空： 1. 当石英晶体受压时，电荷产生在（ ）A、与光轴垂直的Z面上 B、与电轴垂直的X面上 C、与机械轴垂直的Y面上 D、所有的面上 2. 压电式传感器适合测量( )的压力A、缓慢变化 B、快速变化 C、稳定不变 计算：一个矩形石英晶体压电片，与其电轴、机械轴和光轴分别垂直的三个面的面积之比为20：1：2。当沿这三个轴方向同时相等大小和方向的外力F时，其相应的三个面上出现的电荷应该是多少？,某压力传感器的校准数据如下,试计算该传感器的(1)线性度 (2)变差,
