1、,第7章 壓電式傳感器,主要內(nèi)容 1.壓電效應(yīng) 2.壓電材料 3.壓電元件結(jié)構(gòu) 4.等效電路與測(cè)量電路 5.壓電傳感器的應(yīng)用,第7章 壓電式傳感器,概述,壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。,第7章 壓電式傳感器,概述,第7章 壓電式傳感器,6.1 壓電效應(yīng),某些電介質(zhì)（晶體） 當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后

2、，電荷的極性也隨之改變； 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。,第7章 壓電式傳感器,6.1 壓電效應(yīng),壓電效應(yīng)是可逆的 在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。 所以壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。,第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.1 石英晶體,自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā) 現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。 壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。,外形結(jié)構(gòu),第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.1 石英晶體,壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系: d為壓電系數(shù) 在X軸方

3、向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為: 1為X方向應(yīng)力 在Y軸方向施力時(shí),產(chǎn)生電荷大小為: 2為Y方向應(yīng)力 壓電系數(shù) d11=d12 為常數(shù) a 、b是晶體切片幾何尺寸(長(zhǎng) 、厚),第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.1 石英晶體,石英晶體壓電模型,第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.1 石英晶體,當(dāng)晶體不受力時(shí)F=0，正負(fù)離子分布在六邊形頂角，電偶 極矩，P1= P2= P3 ,晶體呈中性；圖(a),第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.1 石英晶體,當(dāng)晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時(shí)，X方向壓縮形變，電偶極矩 ,在X軸的正方向出現(xiàn)正電荷； 圖(b),第7章 壓電式傳感器,6.2 壓

4、電材料6.2.1 石英晶體,當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時(shí)，Y方向壓縮形變，電偶極矩 , 在X軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷； 圖(c),第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.1 石英晶體,石英晶體的 主要性能參數(shù),第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.2 壓電陶瓷（多晶體）,極化后產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 極化現(xiàn)象： 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，他有一定的極化方向。 無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性。,第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.2 壓電陶瓷（多晶體）,施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng) 方向排列

5、。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。 外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。,第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.2 壓電陶瓷（多晶體）,第7章 壓電式傳感器,6.2 壓電材料6.2.2 壓電陶瓷（多晶體）,壓電效應(yīng)： 晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：,電荷密度： d33壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)， d33 比d11、 d12大的多， 所以，壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高,第7章 壓電式傳感器,6.3 壓電元

6、件結(jié)構(gòu)形式,在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時(shí)：,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.1 壓電傳感器等效電路,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.1 壓電傳感器等效電路,電壓靈敏度 電荷靈敏度 它們之間的關(guān)系,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.1 壓電傳感器測(cè)量電路,前置電路有兩個(gè)作用： 一是放大微弱的信號(hào)，二是阻抗變換：高阻抗輸出低阻抗輸出； 根據(jù)等效電路， 壓電元件輸出可以是電壓源，也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式

7、： 電壓放大器 ，電荷放大器。,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路 （1）電壓放大器（阻抗變換器）,如果壓電元件沿電軸為正弦作用力變化， 產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化:,輸入的幅值,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路（1）電壓放大器（阻抗變換器）,傳感器電壓靈敏度,前置放大器實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為：,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路（1）電壓放大器（阻抗變換器）,令前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)為：,相對(duì)

8、幅頻特性,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路（1）電壓放大器（阻抗變換器）,討論： 壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量(=0時(shí)，Uim=0)； 當(dāng)3時(shí)，Uim輸入與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，高頻響應(yīng)特性好； 提高低頻響應(yīng)的辦法是增大時(shí)間常數(shù)，但不能靠輸入電容。實(shí)際辦法：是增大前置輸入回路電阻，所以電壓放大器響應(yīng)差，要求前置電路具有高輸入阻抗； 電壓放大器的缺點(diǎn):從傳感器電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感。,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路（2）電荷放大器,

9、為解決電纜分布電容對(duì)傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大，而且集成運(yùn)放組成的電荷放大器有較好的性能。,電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。,電荷放大器等效電路,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路6.4.2 測(cè)量電路 （2）電荷放大器,工作頻率足夠高時(shí)，電荷放大器輸出電壓,可認(rèn)為,當(dāng)K1滿足,壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路,第7章 壓電式傳感器,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.2 測(cè)量電路（2）電荷放大器,可見： 電荷放大器中，當(dāng) 輸出電壓與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，與Q成正比，與Cf成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用電荷放大器，電纜長(zhǎng)度變化影響可忽略，并且允許使用長(zhǎng)電纜工作。,第7章 壓電式傳感器,65 壓電傳感器的應(yīng)用,壓電式玻璃破碎報(bào)警器,第7章 壓電式傳感器,65 壓電傳感器的應(yīng)用,壓電式壓力傳感器,第7章 壓電式傳感器,65 壓