第6章 电式传感器.pptVIP

图 6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为 . (6-7) Ui的幅值Uim为 . (6-8) 输入电压和作用力之间相位差为 (6-9) 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 (6-10) 式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在ω/ω03时，就可以认为Uim与ω无关，ω0表示测量电路时间常数之倒数，即 这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。  当ω(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换， 否则将引入测量误差。 * 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用 6.1 压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换，如图6 - 1所示。 ? 图6-1 压电效应可逆性 在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。  压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。  压电材料的主要特性参数有：  ① 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。  ② 弹性常数: 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 ③ 介电常数: 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。  ④ 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。  ⑤ 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。  ⑥ 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 表6-1 常用压电材料性能参数 6.1.1 石英晶体 石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图6-2（a）表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 图6-2 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2（c）所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为 (6-1) 式中, d11为x方向受力的压电系数。  若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为 (6-2) 式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11； a、b——晶体切片的长度和厚度。  电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。  石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“”代表