【测试与检测基础课件】压电传感器.pptVIP

3.8 压电传感器 压电传感器：一种有源传感器，亦即发电型传感器。它利用某些材料的压电效应，这些材料在受到外力的作用时，在材料的某些表面上产生电荷。 一、压电效应 压电效应(piezoelectric effect)： 某些材料当它们承受机械应变作用时，其内部会产生极化作用，从而会在材料的相应表面产生电荷；或者反过来当它们承受电场作用时会改变其几何尺寸。 分类： 单晶压电晶体，如石英、罗歇尔盐（四水酒石酸钾钠）、硫酸锂、磷酸二氢铵等； 多晶压电陶瓷，如极化的铁电陶瓷（钛酸钡）、锆钛酸铅等； 某些高分子压电薄膜。 用极化强度矢量来表示材料的压电效应： 式中x、y、z是与晶轴关连的直角坐标系（见图3.45）。 将极化强度写成轴向应力σ与剪应力τ表示的形式： 压电系数d的量纲对于正压电效应来说为 即每单位力输入时的电荷密度,对于逆压电效应来说则是 即每单位场强作用下的应变。 石英晶体是常用的压电材料之一。其中纵轴Z—Z称为光轴， X—X轴称为电轴，而垂直于X—X轴和Z—Z轴的Y—Y轴称为机轴。沿电轴X—X方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应，而将沿机轴Y—Y方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴Z—Z方向作用有力时则并不产生压电效应。 主要的压电效应： 横向效应； 纵向效应； 剪切效应。 晶片在电轴X—X方向上受到压应力σxx作用 极化强度Pxx又等于切片表面产生的电荷密度，即 式中 qxx——垂直于晶轴X-X的平面上产生的电荷量。 由式（3-70）和（3-71）可得 当石英晶体切片受X向压力作用时，所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。 在横向（Y—Y）施加作用力Fy 式中 d12—石英晶体在Y—Y轴方向受力时的压电系数； ly，lx—石英切片的长和厚。 根据石英晶体轴的对称条件有 则式（3.73）变为 当沿着机轴Y—Y方向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴X—X方向加压力时产生的电荷极性相反（式中负号）。 压电体受到多方面的力作用： 纵向和横向效应可能都会出现。 可将式（3.72）和（3.73）统一用矩阵形式表示为 Q=LDF （3.75） 式中Q、D、F均为矩阵；L为列向量，其大小取决于压电体不同的受力方式及晶片的尺寸。 铁电陶瓷 铁电陶瓷是另一类人工合成的多晶体压电材料，它们的极化过程与单晶体的石英材料不同。这种材料具有电畴结构形式，其分子形式呈双极型，具有一定的极化方向。 钛酸钡陶瓷未受外加电场极化时：钛酸钡晶体单元在120oC以下时形状呈立方体。在无外电场作用时，各电畴的极化效应相互被抵消，因此材料并不显示压电效应。 二、压电传感器工作原理及测量电路 压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一个电容器，其形成的电容量 压电传感器可被视为一个电荷源： 等效电路中电容器上的开路电压ea、电容量q以及电容Ca三者间的关系有 压电传感器可被视为一个电压源。 压电传感器实际的等效电路 若将压电传感器接入测量电路，则必须考虑电缆电容CC、后续电路的输入阻抗Ri、输入电容Ci、以及压电传感器的漏电阻Ra，此时压电传感器的等效电路如图3.62所示。 压电传感器的前置放大器： 采用电阻反馈的电压放大器； 采用电容反馈的电荷放大器。 C—等效电路总电容，C=Ca+Cc+Ci； e—电容上建立的电压； i—泄漏电流。 而e=Ri 式中R为放大器输入阻抗Ri和传感器的泄漏电阻Ra的等效电阻，R=Ri//Ra 。 当测量的外力为一动态交变力F=F0sinω0t时，则根据式（3.75）有 为分析简单起见，将L归一化得： 或 上式的稳态解为： 电容上的电压值 设放大器为一线性放大器，则放大器输出 式中k——放大器的增益。 总结： 压电传感器的低频响应取决于由传感器、连接电缆和负载组成的电路的时间常数RC 。 为了不失真地测量，压电传感器的测量电路应具有高输入阻抗，并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数RC。 但并联电容过大会使输出电压降低过多。 使用电压放大器时，输出电压e0与电容C密切关联。 电荷放大器 是一个带电容负反馈的高增益运算放大器。 等效电路图如图3.64所示。 式中 ei—放大器输入端电压； ey—放大器输出端电压； Cf—放大器反馈电容。 根据：ey=-Kei，K为电荷放大器开环放大增益，则有 当K足够大时，有KCfC+Cf，则式（3.87）简化为 在一定的条件下，电荷放大器的输出电压与压