第六章 节 压电式传感器 《传感器（第5版）》课件.pptxVIP

普通高等教育“十一五”国家级规划教材; 第一节压电效应与压电元件 第二节 等效电路与测量电路 第三节压电式传感器的应用举例 ;压电式传感器基于某些物质的压电效应工作，是一种发电式传感器（无源传感器）。 压电效应可逆，故压电式传感器是一种“双向传感器”。 优点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻、体积小。 缺点：无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料工作温度在250℃左右。;第一节 压电效应与压电元件;压电方程 （1）直观表达式： d为压电系数，它是描述压电效应的物理量。 局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。 ;（3）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：;这样，压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵???示如下： ;二、压电材料 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。 压电式传感器属于物性型，故选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。 压电材料选择的具体要求： ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。;1、单晶体 石英晶体种类：天然石英和人造石英。 石英晶体外形：镜像对称，理想外形具有30个晶面。 石英晶体的晶体轴（右手直角坐标系表示） X轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强，又称电轴； Y轴，垂直于六边形对边的轴线，又称机械轴，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显； Z轴，垂直于X、Y轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法确定，又称光轴。 术语： 纵向压电效应：在?1作用下产生电荷的压电效应； 横向压电效应：在?2作用下产生电荷的压电效应。 ;石英晶体的特点： （1）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图6－5。 术语 居里点：石英压电常数d在常温几乎不随温度变化，但当温度超过500℃时，急剧下降，达到573 ℃时，石英晶体失去压电特性，该温度称其居里点或倒转温度。 （2）石英晶体的机械强度很高，可承受约108Pa的压力；在冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和加速度。 （3）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标准传感器或精度很高的传感器。 铌酸锂晶体：时间稳定性远强于压电陶瓷，居里点高达1200℃，适 于做高温传感器。但其各向异性明显，比石英脆，耐冲击性差。 ;2、多晶体 压电陶瓷： 压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应，极化过程如图： 压电陶瓷的制作工艺： 原材料粉碎； 成型； 高温烧结得到多晶导电体； 人工极化。 ;三、压电元件常用结构形式 依据石英晶体压电常数矩阵，其变形方式包括以下四种: 1、厚度变形（TE方式、纵向压电效应） 2、长度变形（LE方式、横向压电效应） 3、面剪切变形（FS方式） 4、 厚度剪切变形（TS方式） 5、弯曲变形（BS方式） 6、体积变形（VE方式） ;第一节 压电效应与压电元件;双压电晶片 实际应用中，如果只用单片压晶片，要产生足够的表面电荷需较大作用力。而测表面粗糙度和微压差时提供的力较小，故常将两片或两片以上压电片组合使用。 （1）双片悬臂元件（即双片弯曲式压电传感器） 当自由端受力F时，晶片弯曲，上片受拉，下片受压，中性面OO长度不变。;;（2）压电元件的并联和串联 压电材料是有极性的。 ;;一、等效电路 压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，故可构成一个电容器。;电容量计算式： 压电元件受外力作用，两表面产生等量正、负电荷，其开路电压为：;压电传感器可等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的并联电路；也可等效为电压源U和一个电容器Ca的串联电路。其中，Ra为压电元件的漏电阻。;术语：压电式传感器的灵敏度 电压灵敏度ku：单位力产生的电压； 电荷灵敏度kq：单位力产生的电荷。 两者的关系为： ;前置放大器的形式： 一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比； 一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。;1、电压放大器 将图6－9b的电