壓電式傳感器07電子工藝課件

3.3壓電式傳感器主要內(nèi)容：1.壓電式傳感器2.壓電效應和壓電材料3.壓電元件的等效電路4.壓電式傳感器的測量電路重點：壓電效應、壓電元件的等效電路難點：壓電式傳感器的測量電路一.壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。是一種典型的有源傳感器*特點:

工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作可靠。

*應用范圍：

各種動態(tài)力、機械沖擊、振動測量、生物醫(yī)學、超聲、通信、宇航等領(lǐng)域。

1.1、壓電式傳感器的應用

1壓電式腳踏報警器

3.交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。4.壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

5.壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力二.壓電效應正壓電效應：當壓電材料受到一定方向作用力時而發(fā)生機械變形，相應的在一定表面上產(chǎn)生電荷，電荷量Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。（壓電式傳感器）逆壓電效應：當壓電材料處于變化的電場中時，壓電材料的體積將產(chǎn)生伸長或縮短的變化，稱作逆壓電效應(壓電式喇叭）壓電效應演示當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2.1、常用的壓電材料及壓電材料的壓電效應壓電材料壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛天然：石英晶體人造壓電材料：高分子壓電材料:聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

二.壓電效應2.2石英晶體的壓電效應天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX在晶體學中它可用三根互相垂直的軸表示，Z軸稱為光軸；X軸稱為電軸；Y軸稱為機械軸?？v向壓電效應：X軸橫向壓電效應：Y軸沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝

從晶體上沿軸線切下的薄片稱為“晶體切片”。圖3-13所示是垂直于電軸Ｘ切割的石英片，在與Ｘ軸垂直的兩面覆以金屬。沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時，在與電軸X垂直的表面上產(chǎn)生電荷Ｑxx為：

式中d11—石英晶體的縱向壓電系數(shù)在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為：

定量計算：

如果在同一切片上，沿機械軸Y方向施加作用力Fy時，則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為：

式中d12—石英晶體的橫向壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體的軸對稱條件可得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為：

2.3

壓電陶瓷的壓電效應

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

經(jīng)極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數(shù)，約為石英晶體的幾百倍，但機械強度較石英晶體差。

則在兩個鍍銀（或金）的極化面上分別出現(xiàn)正負電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即

:

式中dzz—壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。輸出電壓為:

2.3

壓電陶瓷的壓電效應當沿X軸方向施加作用力Fx時，如圖所示，在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為:

同理

2.3

壓電陶瓷的壓電效應式中的dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數(shù)，且均為負值；且dz1=dz2電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。三、壓電元件的等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€電荷發(fā)生器即電荷源電荷源等效電路：可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖（a）電壓源等效電路：壓電傳感器也可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)；qq＝UaCaCa（a）電荷源等效電路CaUaUa＝q/Ca（b）電壓源等效電路補充：電容的串并聯(lián)以兩個電容串并聯(lián)為例，考察串并聯(lián)后，總的電容容抗、總電壓、總電荷容量總?cè)菘梗篊=C1+C2總電量：Q=Q1+Q2總電壓：U=U1=U2并聯(lián)：串聯(lián)：總?cè)菘梗嚎傠娏浚篞=Q1=Q2總電壓：U=U1+U2因此為了增大輸出，在使用過程中壓電元件通常用多個元件串聯(lián)或者是并聯(lián)使用。三、壓電元件的等效電路思考：壓電晶體是否適合于靜態(tài)測量。為什么？當傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。注意：電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。四.壓電傳感器測量電路②電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓