第6章 压电式传感器.ppt

高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） 石英晶体与压电陶瓷的比较 石英晶体 压电陶瓷 a 单晶体 人工制造的多晶体 b 极化方向：X、Y Z轴 c 介电和压电常数 灵敏度高 的温度稳定性好 6.1.3 压电式传感器 压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。  由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。 图6-5 压电元件连接方式 (a)相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结 - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + F F + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + F F a）并联 b）串联 a b a为并联接法 极板上的电荷量Q ＇=2Q，输出电容C ＇=2C，输出电压U ＇ =U。 b为串联接法 Q ＇＝Q， C ＇=C/2 ，U ＇= 2U。 在上述两种接法中，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场合。 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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。  压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式， 如图6-6所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。 图6-6 压电元件变形方式 (a) 厚度变形(TE); (b) 长度变形(LE)； (c) 体积变形(VE)； (d) 面切变形(FS)； (e) 剪切变形(TS) 石英晶体的基本变形形式 厚度变形（d11) 长度变形（d12) x y z T1 T1 + - z x y T2 T2 + - 面剪切变形(d14 d25) 厚度剪切变形(d26) z + - x y T4 T4 y x z T6 T6 + - y x T5 T5 6.2 压电式传感器测量电路 6.2.1 压电式传感器的等效电路 压电式传感器对被测量的感受程度是通过其压电元件产生电荷量大小来反映的，因此它相当于一个电荷源，而压电元件电极表面聚集电荷时，又相当于一个以压电材料为电介质的电容器。 (6-4) 式中： A——压电片的面积；  d——压电片的厚度；  εr——压电材料的相对介电常数。 ＋＋＋＋ ―――― q 电极 压电晶体 因为传感器既是电荷源又是电容器，其等效电路可以认为是两者的并联。也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电路。 由上图可知，只有在外电路负载Rf无穷大，而且内部无漏电时，压电传感器所产生的电荷及其形成的电压Ua才能长期保持，如果负载不是无穷大，则电路将以RfCa为时间常数按指数规律放电。 图6-7 压电元件的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 (6-5) 利用压电式传感器进行测量时，由于它要与测量电路相连接，于是应考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra 压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏将引起测量误差。 图6-8 压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 6.2.2 压电式传感器的测量电路 压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。 接入高输入阻抗前置放大器的作用：把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。 压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。 电压放大器 电荷放大器 1. 电压放大器（阻抗变换器） 图 6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图（