第7章 壓電式傳感器

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1、第7章 壓電式傳感器 7.1?壓電式傳感器的工作原理 7.1.1 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)：某些晶體沿一定方向產(chǎn)生變形時(shí)，其表面會產(chǎn)生電荷。 逆壓電效應(yīng)：電場作用下產(chǎn)生機(jī)械變形。 特點(diǎn)：方向性、可逆性。 一些應(yīng)用：電子打火機(jī)、壓電揚(yáng)聲器，石英鐘表等。 1. 石英晶體 天然單晶晶體、人造單晶晶體。 石英晶體　x－電軸；y－機(jī)械軸；z－光軸 α－石英（低于573 ℃）的壓電效應(yīng)很明顯。 優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，機(jī)械強(qiáng)度高，線性好。 缺點(diǎn)：壓電常數(shù)較低。 沿x軸的極化強(qiáng)度： 由于： 產(chǎn)生的電荷： 晶體壓電效應(yīng)示意圖 電偶極矩：一對正負(fù)

2、電荷形成一個(gè)電偶極矩。p = ql，方向?yàn)閺呢?fù)電荷指向正電荷方向。 無對稱中心的晶體可產(chǎn)生壓電效應(yīng)（極化強(qiáng)度之和不始終為0）。 有對稱中心的晶體不可產(chǎn)生壓電效應(yīng)（極化強(qiáng)度之和始終為0）。 石英晶體的壓電性能： 晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系 石英晶體的壓電效應(yīng) z方向受力無壓電效應(yīng) 石英晶體的變形模式： 對能量轉(zhuǎn)換有意義的變形模式 其他壓電單晶體：鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）等。 2. 壓電陶瓷（PZT） 人工多晶體。每個(gè)晶粒自發(fā)極化，方向雜亂。 壓電陶瓷壓電原理 極化過程示意圖 壓電效應(yīng)機(jī)理 優(yōu)點(diǎn)：壓電常數(shù)高（是石英晶體的幾十――數(shù)

3、百倍）。 缺點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度低、溫度穩(wěn)定性不好。 3. 高分子壓電材料 二類高分子壓電材料： 高分子材料本身具有壓電效應(yīng)。 高分子材料與壓電陶瓷復(fù)合形成壓電材料。 7.1.2 壓電效應(yīng)的物理解釋 另一種解釋 7.2 壓電元件常見結(jié)構(gòu)形式 為產(chǎn)生足夠的電荷，常用多片壓電晶片組合構(gòu)成傳感器。 疊層式壓電組件結(jié)構(gòu) 圖a，受力時(shí)，上片受拉力，下片受壓力兩表面電荷。 圖b，受力時(shí)，上、下片受力相同。 壓電晶片的串聯(lián)與并聯(lián) 并聯(lián)： 串聯(lián)： 7.3 壓電元件的等效電路及測量電路 7.3.1 等效電路 基本結(jié)構(gòu)：壓電元件在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于一個(gè)電容。

4、 受壓產(chǎn)生電荷時(shí)： 兩種等效電路： 電荷等效電路：將傳感器當(dāng)作電荷源。 電壓等效電路：將傳感器當(dāng)作電壓源。 7.3.2 測量電路 作用：變換阻抗，放大信號。 基本要求：輸入阻抗高。 1． 電壓放大器 將壓電傳感器當(dāng)作電壓源時(shí)，對等效電路有： 則信號電壓： 放大器的輸入電壓： 幅值： 相位： 設(shè)τ＝（Ca＋Cc＋Ci）R，ωo＝1/τ： ω＝0，則Uim＝0。低頻響應(yīng)特性差。 ω＞＞ωo時(shí)： 高頻響應(yīng)特性好。 靈敏度： 結(jié)論：電壓放大器低頻特性差。 2． 電

5、荷放大器 深度負(fù)反饋的高增益放大器。 將高阻抗電荷源轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓源。 對等效電路，用節(jié)點(diǎn)電流法： 理想條件下，電阻足夠大，所以輸出電壓： 當(dāng)A＞＞1　時(shí)，有（1+A）Cf?。荆綜a＋Ci＋Cc　，所以： 結(jié)論：與頻率無關(guān)，電荷放大器低頻特性好。 7.4? 壓電式加速度傳感器 7.4?.1 工作原理及特性 壓電式加速度傳感器 圖中：兩壓電元件？聯(lián)。 1. 工作原理 a－（m）→F－（壓電元件）→Q（或U） 2. 靈敏系數(shù) 3. 頻率特性 7.4?.2 壓電式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu) 1. 單端中心壓縮型 2. 倒置中心壓縮型 3. 隔離基座壓縮型 4. 環(huán)形剪切型 5. 中空環(huán)形剪切型 6. 剪切－壓縮復(fù)合型 7.4?.3　壓電式加速度傳感器的應(yīng)用 振動與沖擊測試。 尤其適用于小試件、高溫場合。 7.5? 壓電式壓力傳感器 7.5.1壓電式壓力傳感器的原理 壓電式壓力傳感器 1．工作原理 P－（彈性敏感元件）→F－（壓電元件）→Q（或U） 2．靈敏系數(shù) 7.5.2　壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 1． 結(jié)構(gòu) 2． 應(yīng)用 測量準(zhǔn)靜態(tài)及動態(tài)壓力。