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1、2022-5-131( 传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类( 电参量型传感器电参量型传感器( 电量型传感器电量型传感器( 光电式传感器光电式传感器( 光纤传感器光纤传感器( 数字式传感器数字式传感器2022-5-132&电压输出型传感器电压输出型传感器&电荷输出型传感器电荷输出型传感器&电量型传感器测量电路电量型传感器测量电路2022-5-133&被测量变化能引起传感器输出被测量变化能引起传感器输出电荷或电流电荷或电流变变化的传感器统称为电荷输出型传感器。化的传感器统称为电荷输出型传感器。&电荷输出型传感器直接输出的是电量，后续电荷输出型传感器直接输出的是电量，后续测量电路只需测量电
2、路只需电荷放大器或电压放大器电荷放大器或电压放大器即可。即可。&在此将重点介绍典型的电荷输出性传感器在此将重点介绍典型的电荷输出性传感器压电式传感器压电式传感器。 2022-5-134&压电式传感器压电式传感器( (Piezoelectric Sensor) )是以具有是以具有压电压电效应效应的压电器件为核心组成的传感器。的压电器件为核心组成的传感器。&能实现机械能和电能的相互转换，是典型的能实现机械能和电能的相互转换，是典型的双向能双向能量转换型传感器量转换型传感器，故又称为自发电式和机电转换式，故又称为自发电式和机电转换式传感器。传感器。&应用其正压电效应可实现压力等非电量的电测量，应用其
3、正压电效应可实现压力等非电量的电测量，输出电荷量，是典型的输出电荷量，是典型的电量型传感器电量型传感器；应用其逆压；应用其逆压电效应，可制成电效应，可制成力发生器、位移驱动器力发生器、位移驱动器等。等。2022-5-135&压电效应压电效应 压电效应压电效应：某些电介质物体在某方向受压力或拉力作：某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷；当外力撤消后，物体用产生形变时，表面会产生电荷；当外力撤消后，物体又重新回到不带电状态，这种现象成为压电效应。当作又重新回到不带电状态，这种现象成为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性随之改变，把这种机械能转用力方向改变时，电荷极性随
4、之改变，把这种机械能转化为电能的现象称为化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”，简称压电效应。，简称压电效应。 F FF F极化面极化面图图3.57 正压电效应原理图正压电效应原理图压压电电常常数数矩矩阵阵。外外力力电电荷荷，dFQFdQ2022-5-136&压电效应压电效应三效应：三效应：q横向效应：横向效应：沿沿y轴加力轴加力q切向效应：切向效应：垂直垂直z轴方向形成力矩。轴方向形成力矩。纵向效应纵向效应横向效应横向效应切向效应切向效应石英晶体的三轴：石英晶体的三轴： X X轴轴电轴电轴。在垂直于此轴的面上压。在垂直于此轴的面上压电效应最强电效应最强。Z Z轴轴光轴光轴，也称中性轴。光
5、线沿该，也称中性轴。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿轴通过石英晶体时，无折射，沿该轴方向上没有压电效应。该轴方向上没有压电效应。Y Y轴轴机械轴机械轴。在电场作用下，沿该。在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。轴方向的机械变形最明显。q纵向效应：纵向效应：沿沿x轴加力轴加力2022-5-137&压电效应压电效应逆压电效应逆压电效应(Reverse piezoelectric effect)：由于外由于外电场作用导致物体的机械变形现象，称为逆压电效电场作用导致物体的机械变形现象，称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。应，又称电致伸缩效应。逆逆压压电电常常数数矩矩阵阵电电场场强强度度机机械械应
6、应变变， ttdESEdS具有压电性的电介质（压电材料），能实现机具有压电性的电介质（压电材料），能实现机- -电电能量的相互转换。能量的相互转换。2022-5-138&压电材料压电材料 压电材料的主要性能参数压电材料的主要性能参数： 压电常数压电常数(piezoelectricity constant)：衡量材料压电效应强：衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。 弹性常数弹性常数(elasticity constant)：材料的弹性常数（刚度）：材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。决定着压电器件的固有频率和动态特性。
7、介电常数介电常数(dielectric constant)：固有电容与介电常数有关，：固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 机电耦合系数机电耦合系数(machine-electrical coupling coefficient)：在：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。量转换效率的一个重要参数。 电阻电阻(resistance)：压电材料的绝缘
8、电阻将减少电荷泄漏，：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。从而改善压电传感器的低频特性。 居里点居里点(curie point)：压电材料开始丧失压电性的温度。：压电材料开始丧失压电性的温度。2022-5-139&压电材料压电材料 压电材料的分类：压电晶体压电材料的分类：压电晶体( (piezoelectric crystal) )、压电陶瓷压电陶瓷( (piezoelectric ceramics) )、新型压电材料。、新型压电材料。 石英晶体石英晶体（quartz，SiO2） 具有压电性的单晶体统称为压电晶体。单晶材料的具有压电性的单晶体统称为压电晶体。单晶材料
9、的压电效应是由于这些单晶受外应力时内部晶格结构压电效应是由于这些单晶受外应力时内部晶格结构变形，是原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生变形，是原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化。石英晶体是典型而常用的压电晶体。电极化。石英晶体是典型而常用的压电晶体。 主要性能特点主要性能特点：压电常数小，其时间和温度稳定性：压电常数小，其时间和温度稳定性好好; ;机械强度和品质因数高，刚度大，固有频率高，机械强度和品质因数高，刚度大，固有频率高，动态特性好动态特性好; ;居里点居里点573，无热释电性，且绝缘性，无热释电性，且绝缘性好、重复性均好。好、重复性均好。2022-5-1310&压电材料压电材
10、料 石英陶瓷石英陶瓷(piezoelectric ceramics) 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓所谓“多晶多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处不具有压电性。要使之具有压电性，必须作极化处理。理。 极化
11、处理极化处理（polarization） ：在一定温度下对材料施在一定温度下对材料施加强直流电场，迫使加强直流电场，迫使“电筹电筹”趋向外电场方向作规趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电筹基本保持不变，则排列；极化电场去除后，趋向电筹基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。2022-5-1311&压电材料压电材料 石英陶瓷石英陶瓷(piezoelectric ceramics) 主要性能特点主要性能特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用；成熟，成形工艺性也好，成本低
12、廉，利于广泛应用；具有热释电性。具有热释电性。 新型压电材料新型压电材料 新型压电材料常见的有压电半导体和有机高分子压新型压电材料常见的有压电半导体和有机高分子压电材料。电材料。 压电半导体压电半导体（piezoelectric semiconductor）：其显著：其显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。 有机高分子压电材料：有机高分子压电材料：合成高分子聚合物合成高分子聚合物（质轻柔软，质轻柔软，抗拉强度较高，蠕变小，耐冲击，热释电性和稳定相较好，便抗拉强度较高，蠕变小，耐冲击，热释电性和稳定相较好，便于批量生产和大面积使用）；于批量生产和
13、大面积使用）；高分化合物掺杂压电陶瓷的高高分化合物掺杂压电陶瓷的高分子压电薄膜分子压电薄膜（保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数）。高的压电性和机电耦合系数）。2022-5-1312&压电传感器及其等效电路压电传感器及其等效电路 压电器件实际上是一个电荷发生器，也可视为压电器件实际上是一个电荷发生器，也可视为一个电容器。一个电容器。 等效电容：等效电容：)(AC/ACrara压压电电片片厚厚度度两两极极面面间间距距离离数数压压电电材材料料的的相相对对介介电电常常极极化化面面积积压压电电器器件件电电容容，0FF 金属板金属板图图3.
14、61 压电元件压电元件2022-5-1313&压电传感器及其等效电路压电传感器及其等效电路 等效电荷源：等效电荷源：CaRaCcCiRi压电元件压电元件(a)电荷源等效电路电荷源等效电路RaCaRiCiCc压电元件压电元件(b)电压源等效电路电压源等效电路其输出电荷灵敏度为：其输出电荷灵敏度为：FQkq 等效电压源：等效电压源：其输出电压灵敏度为：其输出电压灵敏度为：aqauCkFCQFUk2022-5-1314&压电传感器的应用压电传感器的应用 压电式传感器的物理基础是正压电效应（压电效压电式传感器的物理基础是正压电效应（压电效应），根据压电敏感元件感受力的作用而产生的电应），根据压电敏感元
15、件感受力的作用而产生的电压或电荷的大小和极性，就可以确定作用力的大小压或电荷的大小和极性，就可以确定作用力的大小和方向。和方向。 压电式传感器可以直接用于测量动态力、压力、位压电式传感器可以直接用于测量动态力、压力、位移、振动加速度等，也可用于声学移、振动加速度等，也可用于声学( (包括超声包括超声) )和声和声发射等测量。发射等测量。 传感器的连接方式：在压电晶片的两工作面上进行传感器的连接方式：在压电晶片的两工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，外接两个金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，外接两个引出线。引出线。 并接并接：（极板面积变大）（极板面积变大）电容量大，输出电荷量大，
16、适于以电容量大，输出电荷量大，适于以电电荷量作输出信号荷量作输出信号；时间常数大，宜于测量缓变信号。；时间常数大，宜于测量缓变信号。 串接串接：（极距变大）（极距变大）传感器本身电容小，传感器本身电容小，输出电压大，适于以输出电压大，适于以电压作输出信号电压作输出信号。2022-5-1315&压电传感器的应用压电传感器的应用 压电式传感器的测量特点：压电式传感器的测量特点：测量静态或准静态量时，必测量静态或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载，以防止电荷经测量电路的漏失或使须采用极高阻抗的负载，以防止电荷经测量电路的漏失或使之减小到最小程度；之减小到最小程度；适于动态测量适于动态测量，如加速度传
17、感器、振动，如加速度传感器、振动传感器等。传感器等。 压电加速度传感器压电加速度传感器 测量原理：测量原理：maF 结构型式：结构型式：2022-5-1316&压电传感器的应用压电传感器的应用 逆压电式传感器应用：压电式传感器的工作原理是逆压电式传感器应用：压电式传感器的工作原理是可逆的，施加电场于压电晶片，压电片便产生伸缩。可逆的，施加电场于压电晶片，压电片便产生伸缩。所以压电片可以反过来做所以压电片可以反过来做“驱动器驱动器”。例如，对压。例如，对压电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，可电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，可用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的用于高频振
18、动台、超声发生器、扬声器以及精密的微动装置。压电加速度传感器微动装置。压电加速度传感器2022-5-1317& 电量型传感器直接输出电量电量型传感器直接输出电量( (电压、电荷或电流电压、电荷或电流) )，有的传，有的传感器是感器是自源型自源型的，直接输出对应于被测量变化的低频信号，的，直接输出对应于被测量变化的低频信号，如热电偶和压电传感器，此时只需将信号经过必要的转换如热电偶和压电传感器，此时只需将信号经过必要的转换和信号放大即可。和信号放大即可。& 自源型电量型传感器测量电路框图如图所示。图中补偿电自源型电量型传感器测量电路框图如图所示。图中补偿电路包括零点补偿电路、温度补偿电路、线性化
19、补偿电路等路包括零点补偿电路、温度补偿电路、线性化补偿电路等等。等。被测量被测量自源型自源型电量型传感器电量型传感器电压电压V1 1电压放大器电压放大器（电荷放大器电荷放大器） 补偿电路补偿电路电压电压Vo o指示指示单元单元电流电流/ /电压电压转换电路转换电路电流电流 I电压电压/ /电荷电荷V/ /Q2022-5-1318& 有的电量型传感器是有的电量型传感器是辅助能源型辅助能源型的，根据其辅助能源的，根据其辅助能源( (电源或磁电源或磁源源) )是直流的或交流的，其测量电路略有不同，是直流的或交流的，其测量电路略有不同， 如果是如果是直流激励直流激励的传感器（如采用永久磁铁的磁电式传感
20、器的传感器（如采用永久磁铁的磁电式传感器和直流激励的霍尔式传感器），其输出为低频电压信号，只和直流激励的霍尔式传感器），其输出为低频电压信号，只需电压放大电路即可。需电压放大电路即可。辅助能源型辅助能源型电量型传感器电量型传感器电压电压放大电路放大电路指示指示单元单元辅助能源辅助能源（直流电源直流电源/ /磁源磁源）被测量被测量电压电压V电压电压Vo补偿电路补偿电路电压电压V1电压电压V2辅助能源辅助能源（交流电源交流电源/ /磁源磁源）解调电路解调电路 如果传感器是如果传感器是交流激励交流激励的（如交流励磁的磁电式传感器和压的（如交流励磁的磁电式传感器和压磁式传感器、交流激励的霍尔式传感器），此时传感器本身磁式传感器、交流激励的霍尔式传感器），此时传感器本身就相当于调幅器，输出调幅波，其测量电路除包括信号放大就相当于调幅器，输出调幅波，其测量电路除包括信号放大电路外，还应有解调电路外，还应有解调电路，电路，