传感器原理及应用［第3版］ 王华翔 第5章 压电式传感器课件.pptVIP

第5章 压电式传感器 * 电阻、电容、电感式传感器是无源器件，需要外加电源才 能产生电信号输出。 压电式传感器是有源的自发电型传感器，在被测量（如力） 作用下，能够产生静电电荷或电压。 特点：测量频带高、灵敏度高、结构简单，工作可靠。 燃气灶点火装置 潜艇声纳（换能器）：能够接受声波信号，并转换为电信号 第1节 压电效应 压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使它变形，在 它的两个表面产生符号相反的电荷；当外力去掉后，重新 恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。 在电介质的极化方向施加电场，这些电介质会发生变形， 这种现象称为逆压电效应。 具有压电效应的材料称为压电材料，石英晶体、压电陶瓷。 一、石英晶体的压电效应 晶体具有各向异性，需确定参考方向 X轴：经过六棱柱棱线，平分内夹角。在此轴方向施加力，在垂直该轴表面产生电荷最明显。“电轴” Y轴：垂直于六棱柱对边的轴线。在外加电场作用下，此轴方向机械形变最明显。“机械轴” Z轴：垂直于X,Y的纵轴，此方向没有压电效应。“光轴” 石英晶体（SiO2）单元结构 没有外力时，硅离子和氧离子 对称分布在正六边形顶点。 电偶极子与电偶极距 两个大小相等的正负电荷距离 很近时，称为电偶极子。 电偶极距为电量与距离的乘积 由负电荷指向正电荷 二、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是以钛酸铅等矿物粉碎后，经1000度以上高温 烧结而得到的人工晶体。 压电陶瓷内部由很多自发 极化的小电畴构成。由于 电畴排布杂乱，对外无电性。 使用前，放置到电场中进行 极化，电畴方向转向一致。 电场去除后，存在剩余极化 强度 极化后的压电陶瓷存在剩余极化强度，但为何测不出电量？ 极化后的压电陶瓷表面 吸附了外界的自由电荷 中和和剩余极化强度 使用压电陶瓷时加外力， d减小，极化强度减小， 表面电荷释放，放电。 外力去除，极化强度恢复， 重新吸附电荷，充电。 机械能 电能 外加同向电场，极化强度 增大，正负电荷距离增大， 陶瓷片沿极化方向伸长。 石英晶体和压电陶瓷产生压电效应的原理不同！ 石英晶体：外力导致晶体单元结构变化，正负等效电荷 中心分离，发生极化，导致晶体表面出现电荷。 压电陶瓷：电畴在进行初始极化后，存在剩余极化强度， 在表面吸附了自由电荷。在受到外力时，极化强度变化， 发生充放电现象。 三、压电常数和表面电荷的定量计算 当晶片受到沿X轴方向的压缩应力 晶片厚度变形，发生极化现象，极化 强度 压电系数 同时，极化强度等于晶面上的电荷密度 晶面电荷密度 极间电压 逆压电效应：在晶体两端施加电压，形变为 第2节 压电材料 什么样的电介质适合做压电材料？ 1. 具有较大的压电常数。其越大，灵敏度越高。 2. 具有良好的机械性能。要求机械强度大，弹性好， 适合力和高频测量。 3. 具有高电阻率和介电常数。电阻大，产生的电荷不易 泄露。大介电常数，适合低频变量测量 4. 具有较高的居里点。当环境温度高于某材料的居里点 时，材料的压电效应消失。 第3节 压电式传感器的测量电路 一、等效电路 压电传感器在受力时，电极表面会出现电荷，且极性相反 电量相同，是一个电荷源。同时石英晶体和压电陶瓷为绝 缘体，两个表面为电极，又可以看作为电容器（有源）。 压电传感器两极板间的电压电荷关系为： 输出电量根据需要，即可以是电荷也可以是电压。 需输出电荷时，等效为 电荷源与电容并联的电 荷等效电路 需输出电压时，等效为 电压源与电容串联的电 压等效电路 测量电路对应 有：电荷放大 器电压放大器 由于外接负载电阻不可能无穷大，压电材料自身有微弱 导电性，受力产生的电荷会逐渐“漏损”。必须在变化力 的作用下，电荷才会不断产生和补充。不适合测量静态 变量 考虑连接导线的等效电阻，电容；前置放大器的输入电阻 电容的完整等效电路如下： 二、测量电路 测量电路的两个作用：信号放大和阻抗匹配 电压放大器：输出电压与压电元件电压成正比 电荷放大器：输出电压与压电元件电荷成正比 （1）电压放大器 *