傳感器與檢測技術 第六章 壓電傳感器

傳感器與檢測技術第六章壓電傳感器第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第六章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應第二節(jié)石英晶體的壓電效應第三節(jié)壓電陶瓷的壓電效應第四節(jié)壓電元件常用結構形式第五節(jié)等效電路與測量電路第六節(jié)壓電式傳感器的應用舉例第七節(jié)壓電式傳感器的誤差第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)壓電傳感器的工作原理當某些物質沿某一方向施加壓力或拉力時，會產生變形，此時這種材料的兩個表面將產生符號相反的電荷。當去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為壓電效應。這種機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應”。反之，在某些物質的極化方向上施加電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場后，該物質的變形隨之消失，這種將電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應”。也稱為“電致伸縮效應”一、壓電效應第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六壓電常數(shù)和表面電荷密度的計算q為壓電元件表面的電荷密度（極化強度），單位：C/cm2；Q為電荷量，S為受作用力的表面的面積。

d為壓電常數(shù)，即晶體承受單位作用力時所產生的電荷量，單位：C/N；當受力方向和變形不同時，d也不同。

i=1、2、3——為電荷平面法線方向，即x、y、z軸向；j=1、2、3、4、5、6——表示作用力的方向；σ為作用面上的應力，單位：N/cm2；

F為作用力；

S為受作用力的表面的面積。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六二、壓電元件的坐標系表示法第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六各平面的電荷密度：第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六壓電系數(shù)矩陣：石英晶體的壓電系數(shù)矩陣：第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六其它壓電常數(shù)：

3.機電耦合系數(shù)K1.壓電常數(shù)g2.壓電常數(shù)h第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六三、石英晶體的壓電效應1.石英晶體第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2.壓電效應（1）縱向壓電效應在電軸方向施加作用力時，在與電軸垂直的平面上將產生電荷。電荷密度：第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六（2）橫向壓電效應在機械（Y）軸向力作用下，引起的壓電效應。因為電荷密度（極化強度）

所以第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六4DABC（a）硅原子帶有4個正電荷，氧原子帶有2個負電荷，正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。圖6-3石英晶體壓電效應

35261412354612635AB第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.特點： 石英晶體是一種天然晶體，它的壓電系數(shù)為d11=2.31×10-12C/N。莫氏硬度為7，熔點為1750℃，膨脹系數(shù)僅為鋼的1/130。 作為常用的壓電傳感器具有轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達550℃（壓電系數(shù)不隨溫度而該改變）、工作濕度高達100%等優(yōu)點，它的穩(wěn)定性是其他壓電材料無法比擬的。

第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六四、壓電陶瓷的壓電效應1.壓電陶瓷的極化特性第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2.壓電陶瓷的壓電效應第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六3.壓電陶瓷的特點

壓電系數(shù)大，靈敏度高，成本低。缺點：居里點低，溫度穩(wěn)定性、機械強度不如石英晶體。

第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六壓電系數(shù)d：表示壓電材料產生電荷與作用力的關系。一般為單位作用力下產生電荷的多少（單位：C/N）。剛度H：

是壓電材料的固有頻率的重要參數(shù)。介電常數(shù)：是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，固有電容將影響傳感器工作頻率的下限值。電阻R：是壓電晶體的內阻，其大小決定泄漏電流。居里點：即壓電效應消失的溫度轉變點。五、壓電材料的主要特性指標

第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六常用壓電材料的性能參數(shù)：第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)等效電路與測量電路一、等效電路

兩極板間的電壓為

只有在外電路負載RL無窮大，內部也無漏電時，受力所產生的電壓U才能長期保存下來，如果負載RL不是無窮大，則電路就要以時間常數(shù)RLCa按指數(shù)規(guī)律放電。

第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六①當需要壓電元件輸出電荷時，可以把壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電荷等效電路。在開路狀態(tài)，其輸出端電荷為：

②當需要壓電元件輸出電壓時，可以把壓電元件等效為一個電壓源與一個電容相串聯(lián)的電壓等效電路。在開路狀態(tài)，其輸出端電壓為：

第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)等效電路與測量電路1、壓電傳感器等效電路第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2、壓電式傳感器測試系統(tǒng)等效電路壓電元件的輸出信號非常微弱，一般要把其輸出信號通過電纜送入前置放大器放大，這樣在等效電路中就必須考慮前置放大器的輸入電阻、輸入電容、電纜電容以及傳感器的泄漏電阻（絕緣電阻）。

第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六二、壓電元件的聯(lián)結方式

在壓電傳感器中，壓電材料一般不用一片，而常常采用兩片（或是兩片以上）黏結在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。

1.串聯(lián)2.并聯(lián)

第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六1.串聯(lián)：此時兩壓電片電荷極性為正、負串聯(lián)輸出。其輸出電容為單片電容的一半，輸出總電荷等于單片電荷，但輸出電壓為單片電壓U的2倍。

第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2.并聯(lián)：此時兩壓電片電荷同極性端并聯(lián)。其輸出電容為單片電容的2倍，但輸出電壓等于單片電壓U，極板上電荷量為單片電荷量的2倍。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六三、測量電路

通常將壓電傳感器的輸出信號輸入到測量電路的高輸入阻抗的前置放大器中來變成低阻抗輸出信號，然后再送到測量電路的放大、檢波、數(shù)據(jù)處理電路或顯示設備。由此看來，壓電傳感器的測量電路中的關鍵部分在前置放大器。

前置放大器的兩個作用： 1.是放大，把壓電傳感器的微弱信號放大； 2.是阻抗變換，那傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。

第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六前置放大器有兩種形式，一種是電壓放大器；另一種是電荷放大器。1.電壓放大器要求：（1）很高的輸入阻抗（>1011MΩ，這樣才能減小由于漏電造成的電壓、電荷的損失，不致引起過大的測量誤差）；（2）很低的輸出阻抗（小于100Ω，帶負載能力強）；（3）Au0很大。

第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六三、測量電路1.電壓放大器（阻抗放大器）R和C分別表示前置放大器的等效輸入端電阻和等效輸入端電容

式中Ra代表測量電路的漏電阻，Ri代表放大器輸入端電阻；式中CC代表測量電路聯(lián)線分布電容（電纜電容），Ci代表放大器入端電容。

第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六則等效電壓源的端電壓為假設給石英晶體壓電元件沿著電軸作用的軸向力為F=Fmsinωt，其壓電系數(shù)為d11，即壓電效應為Qa=d11·F=d11Fmsinωt第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六與作用力之間的相位差為當作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力，即時，前置放大器的輸入電壓等于零，這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量。

的幅值為

第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六令測量回路時間常數(shù)為

一般ωτ＞3，上式即可成立，此時說明電壓輸出型測量電路中的Ui與作用力f的變化頻率ω無關，即這種測量電路具有很好高頻響應特性，這是其主要優(yōu)點。此時傳感器電壓靈敏度為

當ωτ＞＞1時第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六內部裝有超小型阻抗變換器的壓電式加速度傳感器

將一種電壓放大器（阻抗變換器）直接裝進傳感器內部，使其一體化。由于該阻抗變換器充分靠近壓電元件，引線非常短，引線電容幾乎為0，這就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。

第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2.電荷放大器當開環(huán)增益A和輸入電阻Ri、反饋電阻Rf相當大并視為開路時，放大器的輸出電壓正比于輸入電荷Q。第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六由于

所以一般A都很大，則Cf（1+A）>>（Ca+Cc+Cf）

于是采用可變電容Cf，選擇范圍在100~10000pF

為了提高放大器的穩(wěn)定性，一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻Rf（約1010～1014Ω），以提供直流反饋。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六電荷放大器突出的優(yōu)點是：

在一定條件Cf（1+A）>>（Ca+Cc+Cf）下，傳感器的輸出電壓、靈敏度與電纜長度無關。第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)壓電式傳感器的應用舉例1.壓電式加速度傳感器第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六2.壓電式壓力傳感器第三十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六思考題：

１.壓電元件傳感器為什么不能測量靜態(tài)量，只能測動態(tài)量？２.壓電元件傳感器的負載為什么是無窮大？３.前置電壓放大器的作用是什么？

４.電荷輸出型測量電路的主要優(yōu)點有哪些？第三十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六再見！武漢理工大學自動化學院第四十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期六

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