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1、第六章压电传感器第一页，本课件共有25页6-1 压电式传感器工作原理一，压电效应 顺压电效应：某些电介质：施力变形内部极化两表面产生电荷；去力恢复两表面不带电。逆压电效应（电致伸缩效应）：而且，晶体受力后产生的电荷量与外力的大小成正比。施加电场变形具有压电效应的材料，称为压电材料。第二页，本课件共有25页（一）石英晶体（SiO2）天然石英晶体结构外形正六面体 图6-1a)水晶光轴电轴机械轴（力轴）第三页，本课件共有25页 是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而其贡献是作为基准线。Z轴光轴（中性轴）X轴电轴 该轴压电效应最显著。它通过两相对棱线且垂直于Z轴。X轴有三个。Y轴机械
2、轴（力轴）在此轴上加力产生的变形最大。其垂直于两相对的棱面。Y轴有三个。xxxylh 沿轴线切片yy第四页，本课件共有25页一般用数字的下标表示压电晶体的平面或受力方向。即：1，2，3分别表示x,，y，,z4，5，6分别表示x,，y，,z三个轴向切向作用。引入压电系数，diji_在i方向上得到电荷；j_在j方向受力。平行x向受力(Fx)，则在电轴所在的表面上产生电荷量为：纵向压电效应：结论当晶片受到x向压力时，qxx与作用力Fx成正比，而且与晶片的几何尺寸无关。压电系数：xFxFx第五页，本课件共有25页当作用力沿机械轴y-y方向时,其电荷量仍在与xx轴垂直的平面出现，将这种压电效应称为：“横
3、向压电效应”：晶片长宽比沿光轴z-z：FZ不产生压电效应。横向压电效应与尺寸有关，比值越大，灵敏度越高。xFyFy根据石英晶体的对称条件：当晶片受到y向压力时，qxy与作用力Fy成正比，而且与晶片的几何尺寸有关。结论第六页，本课件共有25页（二）压电陶瓷人工制造的多晶压电材料极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性轴转到接近电场的方向，这个方向就是极化方向（Z轴）。图6-6b)压电陶瓷 是人工制造的多晶体压电材料。人工：压电陶瓷本身并非压电体，通过人工“极化”处理后成为压电体。特点：压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几百倍。未极化前极化后第七页，本课件共有25页 1），当受陶瓷沿极化方
4、向（Z轴）作用力时：压电陶瓷纵向压电常数。可以为石英晶体的几百倍。2），当受垂直于极化方向（X轴或Y轴）作用力时，由于垂直面各向同性，下标（1，2）可以互换。即：Ax极化面面积Ay受力面的面积xyzFF+xyzFF+第八页，本课件共有25页 比较：石英晶体：在稳定性方面至今无与伦比，常作标准传感器或者精度要求很高的传感器。压电陶瓷：压电系数可为石英晶体的几十几百倍，价格便宜。目前使用最普遍。第九页，本课件共有25页6-2 压电材料和它的主要特性压电材料的主要特性包括：（1）压电常数d：产生电荷与作用力之间的关系；（2）刚度：刚度是指物体在外力作用下，抵抗变形的能力。刚度越高，物体表现的越“硬”
5、。压电材料的刚度影响压电材料的固有频率；（3）介电常数：决定压电常数的固有电容。电容增加，频率降低；（4）电阻：压电材料通常具有较高的内阻，有利于减少电荷泄漏，改善低频响应；（5）居里点：居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。在居里点温度时，压电材料的压电性能破坏。第十页，本课件共有25页6-3 压电元件常用的结构形式 在压电传感器中，常采用两片或两片以上的压电材料组合在一起使用。连接方式：并联和串连并联：串联：输出电荷量大，本身电容量也大
6、，所以时间常数较大。输出电压高，自身电容小，适用于以电压作为输出量，以及测量电路输入阻抗很高的场合。特点特点第十一页，本课件共有25页 一、压电式传感器的等效电路6-4 测量电路第十二页，本课件共有25页 压电式传感器在测量时要与测量电路相连接，于是就得考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri，输入电容Ci，以及压电式传感器的泄漏电阻Ra。考虑这些因素，等效电路就如图6-11 a,b)所示。第十三页，本课件共有25页二、测量电路压电式传感器：前置放大器：高输入阻抗，低输出阻抗，放大阻抗 变换压电传感器对测量电路的要求。电压或电荷放大电压信号产生的电荷量小、内阻高(高阻抗）、信号弱。第十四页，本课
7、件共有25页 设有一恒定的力作用在压电传感器的晶体元件上，使压电晶体表面产生电荷q，并在晶体表面间产生电压ua。假定，压电传感器的绝缘电阻Ra不能无限大，因此将有电荷通过Ra泄漏，使电压ua不能保持恒定值，。分析要求：传感器自身绝缘电阻极高；测量电路前级输入端的输入阻抗极高。代入上式：解得：，式中：第十五页，本课件共有25页误差分析级数展开：因此，由于电荷泄漏而导致的电压损失（绝对误差）：相对误差：式中：在实际应用中：输出电压的衰减速率有电路的时间常数RiC决定；为了减小漏电的测量误差，要求时间常数尽量大，所以要求电路的输入电阻Ri应尽量大；第十六页，本课件共有25页等效电阻：等效电容：（一）
8、电压放大器放大器输入端电压第十七页，本课件共有25页 设压电元件受作用力：则压电元件上输出电压：而放大器输入端电压：写成复数形式：第十八页，本课件共有25页 输入电压幅值：输入电压与作用力的相位差：测量回路时间常数讨论（1）当 时，放大器输入电压Uim与 无关，即传感器高频响应好；（2）当 时，灵敏度将下降。（3）为了扩大工作频带的低频端，可减小 ，则必须提高测量电路的时间常数。第十九页，本课件共有25页当：电荷灵敏度：；F作用力电压灵敏度：第二十页，本课件共有25页采用输入内阻很大的前置放大器，可获得良好的低频特性，又不影响电压灵敏度。（2）从Uim与电缆电容Cc有关，即与电缆长度有关。因此，在电压放大器的使用中，若改变电缆长度，须重新校正灵敏度值。讨论（1）第二十一页，本课件共有25页 （二）电荷放大器1，电荷电压转换放大，输出电压正比于输入电荷。2，阻抗变换，将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源。其输入阻抗达 3，突出优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,而输出阻抗小于100。电缆漏电导、放大器的输入和反馈电导较小，可忽略。第二十二页，本课件共有25页Cf等效到输入端,则：U0与电荷q成正比，与电缆Cc无关，且与频率 无关。结论A放大器的开环增益；第二十三页，本课件共有25页6-5 压电式传感器的应用第二十四页，本课件共有25页第二十五页，本课件共有25页