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压电传感器 主要内容： 1.压电效应（石英和压电陶瓷） 2.压电元件的等效电路 3.信号调解电路 4.应用 第六章 压电式传感器 压电式传感器的工作原理 等效电路及信号变换电路 压电式加速度传感器 压电式测力传感器 6.1 压电式传感器的工作原理 电势型传感器 以压电效应为基础 压电效应可逆 “双向传感器” 正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷) 1.压电效应 1）正压电效应 晶体（电介质）受到一定方向的机械外力作用时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上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的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 ) 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 石英晶体的压电效应 切片上电荷的符号与受力方向的关系 电荷大小分析 a）在X轴方向上施加外力Fx时 ①X轴表面产生的电荷量 石英晶体 一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。 常见压电陶瓷 ： （1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 高分子压电材料的应用 结论： ①放大器的输入Uim与F的频率无关，因此具有较好的高频响应特性； ②改变压电传感器的引线电缆长度，其电缆电容的变化将引起放大器输入信号Uim的变化。因此在测量中通常电缆长度固定（Cc＝常数）。 ③电压灵敏度， 即，灵敏度与电路电容大小成反比关系。所以一般要求放大器的内阻Ri增大（电容C降低），以满足 的条件。 Ca :传感器的固有电容 Ci :前置放大器输入电容 Cc :连线电容 Ra :传感器的漏电阻 Ri :前置放大器输入电阻 b.电荷放大器 深度负反馈的高增益放大器 忽略Ra、Ri和RF的分流作用 则：输入电荷： 当 结论： ①放大器的输出Usc正比于信号Q，线性转换； ②灵敏度： ③与电压放大器不同，电缆电容Cc与放大器输入电容Ci不会对输出Usc产生影响。 ④开环放大倍数对精度的影响。 当A0不是很大时，必然会产生误差： 由此得A0＞104。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。 例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)×100m=104pF,当要求δ≤1%时，则有 压电片的连接方式 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。 晶振 交通监测 压电式脚踏报警器 高分子压电材料的应用 * 压电传感器是力敏感元件，将被测量力、压力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。它是一种典型的有源传感器（或发电型）。 天然形成的石英晶体外形 X轴：电轴或1轴；经过六面体棱线 Y轴：机械轴或2轴垂直于六面体棱面 Z轴：光轴或3轴 垂直于晶体截面且与X，Y轴垂直。 “纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶