3-3-2電量型-電荷輸出型

常用傳感器

傳感器定義、組成及分類

電參量型傳感器

電量型傳感器

光電式傳感器

光纖傳感器數(shù)字式傳感器2024/9/261電壓輸出型傳感器電荷輸出型傳感器電量型傳感器測量電路電量型傳感器2024/9/262電荷輸出型傳感器被測量變化能引起傳感器輸出電荷或電流變化的傳感器統(tǒng)稱為電荷輸出型傳感器。電荷輸出型傳感器直接輸出的是電量，后續(xù)測量電路只需電荷放大器或電壓放大器即可。在此將重點介紹典型的電荷輸出性傳感器——壓電式傳感器。

2024/9/263壓電式傳感器(PiezoelectricSensor)是以具有壓電效應的壓電器件為核心組成的傳感器。能實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換，是典型的雙向能量轉(zhuǎn)換型傳感器，故又稱為自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。應用其正壓電效應可實現(xiàn)壓力等非電量的電測量，輸出電荷量，是典型的電量型傳感器；應用其逆壓電效應，可制成力發(fā)生器、位移驅(qū)動器等。壓電式傳感器2024/9/264壓電效應壓電效應：某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時，表面會產(chǎn)生電荷；當外力撤消后，物體又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象成為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷極性隨之改變，把這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應”，簡稱壓電效應。

壓電式傳感器FF極化面圖3.57

正壓電效應原理圖2024/9/265壓電效應壓電式傳感器三效應：橫向效應：沿y軸加力切向效應：垂直z軸方向形成力矩?？v向效應橫向效應切向效應石英晶體的三軸：X軸—電軸。在垂直于此軸的面上壓電效應最強。Z軸—光軸，也稱中性軸。光線沿該軸通過石英晶體時，無折射，沿該軸方向上沒有壓電效應。Y軸—機械軸。在電場作用下，沿該軸方向的機械變形最明顯。縱向效應：沿x軸加力2024/9/266壓電效應壓電式傳感器逆壓電效應(Reversepiezoelectriceffect)：由于外電場作用導致物體的機械變形現(xiàn)象，稱為逆壓電效應，又稱電致伸縮效應。具有壓電性的電介質(zhì)（壓電材料），能實現(xiàn)機-電能量的相互轉(zhuǎn)換。2024/9/267壓電材料壓電材料的主要性能參數(shù)：壓電常數(shù)(piezoelectricityconstant)：衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，直接關系到壓電輸出靈敏度。彈性常數(shù)(elasticityconstant)：材料的彈性常數(shù)（剛度）決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。介電常數(shù)(dielectricconstant)：固有電容與介電常數(shù)有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。機電耦合系數(shù)(machine-electricalcouplingcoefficient)：在壓電效應中，轉(zhuǎn)換輸出的能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根。它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。電阻(resistance)：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。居里點(curiepoint)：壓電材料開始喪失壓電性的溫度。壓電式傳感器2024/9/268壓電材料壓電材料的分類：壓電晶體(piezoelectriccrystal)、壓電陶瓷(piezoelectricceramics)、新型壓電材料。石英晶體（quartz，SiO2）具有壓電性的單晶體統(tǒng)稱為壓電晶體。單晶材料的壓電效應是由于這些單晶受外應力時內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)變形，是原來宏觀表現(xiàn)的電中性狀態(tài)被破壞而產(chǎn)生電極化。石英晶體是典型而常用的壓電晶體。主要性能特點：壓電常數(shù)小，其時間和溫度穩(wěn)定性好;機械強度和品質(zhì)因數(shù)高，剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好;居里點573℃，無熱釋電性，且絕緣性好、重復性均好。壓電式傳感器2024/9/269壓電材料石英陶瓷(piezoelectricceramics)壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無數(shù)細微的單晶組成；所謂“鐵電體”，它具有類似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個單晶形成一單個電疇，無數(shù)單晶電疇的無規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。要使之具有壓電性，必須作極化處理。極化處理（polarization）

：在一定溫度下對材料施加強直流電場，迫使“電籌”趨向外電場方向作規(guī)則排列；極化電場去除后，趨向電籌基本保持不變，形成很強的剩余極化，從而呈現(xiàn)壓電性。壓電式傳感器2024/9/2610壓電材料石英陶瓷(piezoelectricceramics)主要性能特點：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟，成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應用；具有熱釋電性。新型壓電材料新型壓電材料常見的有壓電半導體和有機高分子壓電材料。壓電半導體（piezoelectricsemiconductor）：其顯著特點是：既具有壓電特性，又具有半導體特性。有機高分子壓電材料：合成高分子聚合物（質(zhì)輕柔軟，抗拉強度較高，蠕變小，耐沖擊，熱釋電性和穩(wěn)定相較好，便于批量生產(chǎn)和大面積使用）；高分化合物摻雜壓電陶瓷的高分子壓電薄膜（保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電性和機電耦合系數(shù)）。壓電式傳感器2024/9/2611壓電傳感器及其等效電路壓電器件實際上是一個電荷發(fā)生器，也可視為一個電容器。等效電容：壓電式傳感器FFδ金屬板圖3.61

壓電元件2024/9/2612壓電傳感器及其等效電路等效電荷源：壓電式傳感器QCaRaCcCiRi壓電元件(a)電荷源等效電路RaCaURiCiCc壓電元件(b)電壓源等效電路其輸出電荷靈敏度為：等效電壓源：其輸出電壓靈敏度為：2024/9/2613壓電傳感器的應用壓電式傳感器的物理基礎是正壓電效應（壓電效應），根據(jù)壓電敏感元件感受力的作用而產(chǎn)生的電壓或電荷的大小和極性，就可以確定作用力的大小和方向。壓電式傳感器可以直接用于測量動態(tài)力、壓力、位移、振動加速度等，也可用于聲學(包括超聲)和聲發(fā)射等測量。

傳感器的連接方式：在壓電晶片的兩工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極，外接兩個引出線。壓電式傳感器并接：（極板面積變大）電容量大，輸出電荷量大，適于以電荷量作輸出信號；時間常數(shù)大，宜于測量緩變信號。串接：（極距變大）傳感器本身電容小，輸出電壓大，適于以電壓作輸出信號。2024/9/2614壓電傳感器的應用壓電式傳感器的測量特點：測量靜態(tài)或準靜態(tài)量時，必須采用極高阻抗的負載，以防止電荷經(jīng)測量電路的漏失或使之減小到最小程度；適于動態(tài)測量，如加速度傳感器、振動傳感器等。壓電加速度傳感器測量原理：壓電式傳感器結(jié)構(gòu)型式：2024/9/2615壓電傳感器的應用逆壓電式傳感器應用：壓電式傳感器的工作原理是可逆的，施加電場于壓電晶片，壓電片便產(chǎn)生伸縮。所以壓電片可以反過來做“驅(qū)動器”。例如，對壓電晶片施加交變電壓，則壓電片可作為振動源，可用于高頻振動臺、超聲發(fā)生器、揚聲器以及精密的微動裝置。壓電加速度傳感器壓電式傳感器2024/9/2616電量型傳感器直接輸出電量(電壓、電荷或電流)，有的傳感器是自源型的，直接輸出對應于被測量變化的低頻信號，如熱電偶和壓電傳感器，此時只需將信號經(jīng)過必要的轉(zhuǎn)換和信號放大即可。自源型電量型傳感器測量電路框圖如圖所示。圖中補償電路包括零點補償電路、溫度補償電路、線性化補償電路等等。電量型傳感器測量電路被測量自源型電量型傳感器電壓V1電壓放大器（電荷放大器）補償電路電壓Vo指示單元電流/電壓轉(zhuǎn)換電路電流I電壓/電荷V/Q2024/9/2617有的電量型傳感器是輔助能源型的，根據(jù)其輔助能源(電源或磁源)是直流的或交流的，其測量電路略有不同，如果是直流激勵的傳感器（如采用永久磁鐵的磁電式傳感器和直流激勵的霍爾式傳感器），其輸出為低頻電壓信號，只需電壓放大電路即可。電量型傳感器測量電路輔助能源型電量型傳感器電壓放大電路指示單元