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1、5.3.1 压电式传感器的工作原理正压电效应 物质被加力 变形表面产生电荷逆压电效应 施加电场 电介质产生变形应力 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。压电式传感器利用正压电效应制成了电势型传感器 压电效应可逆 “双向传感器”。石英晶体(SiO2)的压电效应 （a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷；（c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。图5.3.4 石英晶体的压电效应 石英晶体 一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点： 转换精度高、线性范
2、围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度变化而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。2. 压电陶瓷的压电效应 人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。 图5.3.5 压电陶瓷的极化 压电陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构的“电畴”结构，是其自发极化而形成的微小极化区域。当外加电场撤销以后，它有一定的极化方向，而存在一定的电场。陶瓷片极化 图5.3.6 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 吸附空气中的自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。 压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷
3、片上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内正负束缚电荷之间距离变小，电轴发生偏转，极化强度也变小。原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 )3 . 3 . 5(33FdQQ电荷量；d33压电陶瓷的压电系数；F作用力 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上，任意选择一正交轴为x和y轴，因此它的x轴和y轴是可以互易的。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出
4、现电荷，如图5-12（a）所示，其电荷量q与作用力z成正比，即(5-12) d33 压电陶瓷的纵向压电系数； 作用力。 zFdq33 压电陶瓷在受到沿y方向的作用力y或沿x方向的作用力x时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力y、x也成正比，即xzxyzyAAFdAAFdq3132式中以上设 Fx=F y， Ax=A y A z极化面面积，； Ax、A y受力面面积，以上 Ax=A y； d32、d31压电陶瓷的横向压电系数， d32=d31。 当作用力z、y或x反向时，电荷的极性也反向。压电陶瓷在受到如图5-12（c）所示的作用力x、y、z共同作用时，在垂直于z轴
5、的上、下平面上分别出现正、负电荷。图5-12 压电陶瓷的变形方式（ d31 =d32=-0.41 d33 ） 无论在什么方向施加作用力产生压缩形变时，压电陶瓷的正、逆压变效应只出现在其极化方向。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。常见压电陶瓷 ：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3
6、-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。5.3 压电式传感器5.3.1 压电式传感器的工作原理5.3.2 等效电路及信号变换电路等效电路及信号变换电路5.3.3 压电式加速度传感器5.3.4 压电式测力传感器5.3.2 等效电路及信号变换电路1. 压电元件的等效电路2. 压电式传感器的信号调节电路)4 . 3 . 5(0hshsCra)5 . 3 . 5(aCQU S极板面积；h压电片厚度；介质介电常数。1. 压电元件的等效电路 压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时也是一个以压电材料为介质的电容器，
7、电容量为Ca。图5.3.8压电元件的等效电路压电式传感器的等效电路 (a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电压源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 图5.3.8 压电式传感器的等效电路 两个压电片的联接方式 （a） “并联”，Q=2Q，U=U，C=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。图5.3.9 两个压电片的联接方式 （b） “串联” Q=Q，U=2U，C=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。2. 压电式传感器的信号调理电路 XC=1
8、/2fc，压电式传感器要求负载电阻RL很大，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在于高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。（1）电压放大器Ca传感器的电容 Ra传感器的漏电阻 Cc连接电缆的等效电容Ri放大器的输入电阻Ci放大器的输入电容iaiaRRRRRicaCCCC图5.3.10电压放大器输入端等效电路K闭环放大倍数前置放大器输入电压 )6 . 3 . 5(1RCjRIUi压电元件受到的交变正弦力 F=Fmsint压电元件的压电系数为d
9、11，产生的电荷为Q = d11F。)7 . 3 . 5(cos11tFddtdQim)8 . 3 . 5(11FdjI)9 . 3 . 5(111RCjRjFdUi)10. 3 . 5()()(1)()(122112211icamicamimCCCRFdCCCRRFdU输入电压的幅值： 当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 传感器的低频响应范围 mimuFUKR、mimuiFUKRR电压放大器应用限制 电缆长 Cc就大Ku ，故压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。
10、电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。图5.3.11 内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器（2）电荷放大器 压电式传感器另一种专用的前置放大器。 它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点： 在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。压电传感器与电荷放大器连接等效电路 图5.3.12 压电传感器与电荷放大器
11、连接等效电路Ca传感器的电容 Ra传感器的漏电阻Cc连接电缆的等效电容 Ri放大器的输入电阻 Ci放大器的输入电容 K开环放大倍数几点结论： 1.UO只与Q和Cf有关，而与K的变化或Cc等均无关系； 2.只要保持Cf的数值不变，Uo 与 Q变化成线形关系； 3.Cf Uo ； 4. UO/ Q 必须选择适当的反馈电容； 5.UO与Cc无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci） K放大器的开环增益,放大器采用FET，Ri很大。充电电压接近等于放大器的输出电压 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (05.3 压电式传感器5.3.1 压电式传感器的工作原理5.3.2 等效电路及信号变换电路5
12、.3.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用5.3.3 压电式加速度传感器图5.3.13 压缩式压电加速度传感器的结构原理图压电元件采用并联接法测量原理 当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。Q=d33F=d33ma 输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以
13、测出试件的振动速度或位移。2. 压电式测力传感器 压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。变形方式：利用纵向压电效应的厚度变形最简便。材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。压电式单向测力传感器 用于机床动态切削力的测量。 图5.3.14 压电式单向测力传感器的结构图 压电式压力传感器 测量均布压力的传感器 End the 5.3图5.3.15 测量均布压力的传感器 作业 P1551.2.简述霍尔传感器用于振动测量的原理。3.4.画出霍尔传感器基本测量电路。5.6.7.比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点。8.（其中电荷放大器的特点从阻抗变换、输出电压与Q的关系、输出电压与电缆长度关系方面叙述）。9.46 结束语结束语