第11讲压电式传感器原理及调节电路.pdf

第11讲 压电式传感器原理及调节电路 1. 概述 2. 压电式传感器的工作原理 3. 压电式传感器调节电路  4.  压电式传感器的应用 1 概述 压电式传感器属 自发电式传感器,以某 些电介质 （如石英晶体或压电陶瓷、高 分子材料）的压电效应为基础而工作。 在外力作用下，在电介质表面产生电 荷，从而实现对非电量测量的目的。 压电传感元件是力敏感元件 应用范围：用以测量动态力、动态 压力、振动加速度等非电物理量。 2 压电式传感器的工作原理 一、压电效应 定义：一些离子 型晶体的电介质 在电场力或机械 力作用下，会产 生极化现象。 如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等 （1）正压电效应： 在压电介质的一定方向上施加机械力而产生 变形时，引起它内部正负电荷中心相对转移 而产生电的极化，从而导致其两个相对表面 （极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q Q与外应力张量T Q = dT  成正比关系  d—压电常数 当外力消失后，又恢复不带电原状； 当外力变向，电荷极性随之而变。 这种现象称为正压电效应，简称压电效应 （2）逆压电效应 在压电介质的极化方向施加电场，这些电 介质就在一定方向上产生机械变形或机械 应力，当外电场撤去时，这些变形或应力 也随之消失，这种现象称之为逆压电效 应，或称之为电致伸缩效应 应变S与外电场强 S = d E  t 度E成正比关系  dt — 逆压电常数 具有压电性的电介质（称压电材料）， 能实现机电能量的相互转换 二、压电材料  1、压电材料可分为三大类 ÿ压电晶体 （单晶） 石英晶体、其他压电单晶 ÿ压电陶瓷 （多晶半导瓷） ÿ新型压电材料： 压电半导体、有机高分子压电材料 目前国内外普遍应用的是压电单晶中 的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与 锆钛酸铅系列压电陶瓷 2、压电材料的主要特性参数 （1）压电常数 衡量压电材料压电效应强弱的参数，直接 关系到输出灵敏度 （2）弹性常数 与压电器件的固有频率和动态特性有关 （3）介电常数 对于一定形状、尺寸的压电元件的固有电 容与介电常数有关；且固有电容影响着压 电传感器的频率下限 （4）机械耦合系数 在压电效应中，其值等于转换输出能量 （如电能）与输入能量（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 （5）绝缘电阻 压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从 而改善压电传感器的低频特性 （6）居里点 压电材料开始丧失压电特性时的温度称为 居里点 三、压电材料介绍 1、压电晶体 （1）石英晶体（SiO ） 2 天然石英晶体  石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角 晶系，是一种应用广泛的压电晶体。 石英晶体有三个晶轴：  Z轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；  X轴：电轴，它通过六面体相对的两个棱线并 垂直于光轴；  y轴：机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 当石英晶体未受外力作用 时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形 x  成三个互成120°夹角的 电偶极矩P 、