3.5压电传感器.ppt

压电式传感器 压电式传感器是以具有压电效应的元件作为转换元件的有源传 感器，它既可以把机械能转化为电能，也可以把电能转化为机械 能。这样的特性使其可用于跟力有关的物理量的测量，如力、压 力、加速度、机械冲击和振动等，也被用于超声波的发射与接受装 置。 压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度和精 确度高等特点，而且目前与其配套的后续仪器，如电荷放大器等技 术的日益提高，这种传感器在声学、医学、力学、宇航等方面越来 越得到广泛的应用。 压电式传感器的工作原理是基于某些材料的压电效应。 压电效应 某些物质，当沿着一定方向受到压力或者拉力作用而发生变 形，其两个表面上会产生符号相反的电荷；当外力去掉时，它们又 重新回到不带电的状态；当受力方向变化时，电荷的极性也随着变 化，我们把现象就称为压电效应。相反，如果把这些物质置于电场 中，其几何尺寸也会发生变化，我们把这种由于电场作用导致物质 发生形变的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效应）。这种具有 压电效应的物质我们称为压电材料或压电元件，常见的压电材料主 要有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 从石英晶体上沿机械轴（y）方向切下一块如图3.23a所示的晶 体片，当在电轴（x轴）方向受到力作用时，在与电轴（x轴）垂直 的平面上将产生电荷 ，如图3.23b所示，其大小为 （3.30） 式中 —x轴方向受力的压电系数； —x轴方向受到的力。 若在同一晶体片上，当在机械轴（y轴）方向受到力作用时，则 仍在与电轴（x轴）垂直的平面上将产生电荷 ，如图3.23c所示，其 大小为 （3.31） 式中 —y轴方向受力的压电系数，； —y轴方向受到的力； ， —晶体片的长度和厚度。 电荷 和 的符号由受力是拉力还是压力决定的。同时从式 （3.30）和（3.31）可以看出， 的大小与晶体片形状尺寸无关， 而 与晶体片的几何尺寸有关。 压电陶瓷 3.5.2 压电式传感器及其等效电路 当压电晶体片受力作用时，在晶体片的两表面上出现等量的 正、负电荷，晶体片的两表面相等于一个电容的两个极板，两极板 之间的物质就相等于电容极板间的介质，因而压电晶体片在工作时 就等效于一只平行板介质电容，如图3.24所示。其电容量为 （3.32） 式中 —压电材料的介电常数； —压电晶体片工作面的面积（m2）； —极板间距，即晶体片厚度（m）。 如果施加于晶体片上的外力不变时，晶体片两表面上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷数保持不变，而在外力作用消失时，电荷也随之消失。故压电式传感器在工作时可以等效为一与电容并联的电荷源，如图3.25a所示；同时压电式传感器也可看成为一电压源，如图3.25b所示。电压 、电荷量 和电容量 三者之间的关系为 （3.33） 压电式传感器在实际使用时总要与测试仪表或测量电路相连， 因而还必须要考虑电缆连接电容Cc，前置放大器的输入电阻Ri和输 入电容Ci以及压电式传感器绝缘电阻Ra，这样压电式传感器在测量 系统中的等效电路就如图3.26所示。 实际压电式传感器中，往往采用两片或两片以上的具有相同性 能的压电晶体片粘贴在一起使用，由于压电晶体片有电荷极性，因 而接法有串联和并联两种，我们这里以两片为例对其串联和并联进 行分析，如图3.27所示。 串联时，输出电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的 两倍，总电容为单片电容的1/2。即