第7章 压电式传感器.doc

第7章 压电式传感器
7.1 压电式传感器的工作原理
7.1.1 压电效应
压电效应：某些晶体沿一定方向产生变形时，其表面会产生电荷。
逆压电效应：电场作用下产生机械变形。
特点：方向性、可逆性。
一些应用：电子打火机、压电扬声器，石英钟表等。

1. 石英晶体
天然单晶晶体、人造单晶晶体。

石英晶体　x－电轴；y－机械轴；z－光轴
α－石英（低于573 ℃）的压电效应很明显。
优点：性能稳定，重复性好，机械强度高，线性好。
缺点：压电常数较低。
沿x轴的极化强度：

由于：

产生的电荷：

晶体压电效应示意图
电偶极矩：一对正负电荷形成一个电偶极矩。p = ql，方向为从负电荷指向正电荷方向。
无对称中心的晶体可产生压电效应（极化强度之和不始终为0）。
有对称中心的晶体不可产生压电效应（极化强度之和始终为0）。

石英晶体的压电性能：
晶片上电荷极性与受力方向的关系
石英晶体的压电效应
z方向受力无压电效应
石英晶体的变形模式：
对能量转换有意义的变形模式
其他压电单晶体：铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）等。

2. 压电陶瓷（PZT）
人工多晶体。每个晶粒自发极化，方向杂乱。
压电陶瓷压电原理
极化过程示意图 压电效应机理
优点：压电常数高（是石英晶体的几十――数百倍）。
缺点：机械强度低、温度稳定性不好。

3. 高分子压电材料
二类高分子压电材料：
高分子材料本身具有压电效应。
高分子材料与压电陶瓷复合形成压电材料。

7.1.2 压电效应的物理解释
另一种解释

7.2 压电元件常见结构形式
为产生足够的电荷，常用多片压电晶片组合构成传感器。
叠层式压电组件结构
图a，受力时，上片受拉力，下片受压力两表面电荷。
图b，受力时，上、下片受力相同。

压电晶片的串联与并联
并联：

串联：

7.3 压电元件的等效电路及测量电路
7.3.1 等效电路
基本结构：压电元件在结构上相当于一个电容。

受压产生电荷时：

两种等效电路：
电荷等效电路：将传感器当作电荷源。
电压等效电路：将传感器当作电压源。

7.3.2 测量电路
作用：变换阻抗，放大信号。
基本要求：输入阻抗高。

1． 电压放大器
将压电传感器当作电压源时，对等效电路有：

则信号电压：

放大器的输入电压：

幅值：

相位：

设τ＝（Ca＋Cc＋Ci）R，ωo＝1/τ：

ω＝0，则Uim＝0。低频响应特性差。
ω＞＞ωo时：

高频响应特性好。

灵敏度：

结论：电压放大器低频特性差。

2． 电荷放大器
深度负反馈的高增益放大器。
将高阻抗电荷源转换成低阻抗电压源。
对等效电路，用节点电流法：

理想条件下，电阻足够大，所以输出电压：

当A＞＞1　时，有（1+A）Cf　＞＞Ca＋Ci＋Cc　，所以：

结论：与频率无关，电荷放大器低频特性好。

7.4  压电式加速度传感器
7.4 .1 工作原理及特性
压电式加速度传感器
图中：两压电元件？联。
1. 工作原理
a－（m）→F－（压电元件）→Q（或U）

2. 灵敏系数

3. 频率特性

7.4 .2 压电式加速度传感器的典型结构
1. 单端中心压缩型
2. 倒置中心压缩型
3. 隔离基座压缩型
4. 环形剪切型
5. 中空环形剪切型
6. 剪切－压缩复合型
7.4 .3　压电式加速度传感器的应用
振动与冲击测试。
尤其适用于小试件、高温场合。

7.5  压电式压力传感器
7.5.1压电式压力传感器的原理
压电式压力传感器
1．工作原理
P－（弹性敏感元件）→F－（压电元件）→Q（或U）

2．灵敏系数

7.5.2　压电式压力传感器的结构及应用
1． 结构

2． 应用
测量准静态及动态压力。