[信息与通信]第7章---压电式传感器.ppt

压电陶瓷分子由无数的细微电畴组成，这些电畴实际上是自发极化的小区域，它们的自发极化方向完全是任意排列的。每个电畴具有一定的极化方向，从而存在一定的电场，但分子团的杂乱无规则排列，在无外电场的作用下，呈现中性。 （2）极化处理 在电场作用下，使电畴分子团有规则的排列（趋于外电场方向）从而使材料得到极化（如图6-6（b）所示）。外电场去除后，其内部残存剩余极化强度（如图（c）所示）。 （3）压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定的压电效应。 图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图 2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的压电过程。 （1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。 图6-7 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 不呈现极性而呈现中性。 这是因为残余极化强度产生正负束缚电荷，并且吸附了外界的自由电荷起到屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。 （2）在外加与极化方向相反且平行的压力F作用下 图6-8 受外力作用时陶瓷片的压电效应示意图 （实线表示未受力时，虚线表示受力变形状态） 如上图所示，压电片产生压缩变形，使得正负束缚电荷距离变化，其极化强度相应变小，导致吸附表面的自由电荷一部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界自由电荷类似充电现象，因而产生了一个充放电的压电效应。（机械能?电能） （3）逆压电效应 如图6-9所示，在极化方向上施加一个相同方向的外电场E时，则产生增大极化强度的作用，使得正负束缚电荷距离增加，即产生极化方向上的伸长形变，同理，外电场方向改变时，将产生一个压缩形变（电能?机械能）。 图6-9 逆压电效应示意图 （实线代表变形前的情况，虚线代表变形后的情况） 第三节 测量电路 一、等效电路 1、压电传感器等效原理 压电晶体在外力作用下，其电极表面产生正负极性的电荷，因此可以看成一个静电发生器，其类似一个以压电材料为电介质的电容Ca如图所示。 图6-10 压电传感器的等效原理 当极板间有异性电荷时（q），极板之间的电压Ua， 2、等效电路图 （1）压电传感器的等效电路可以等效为如下两种形式 图6-11　压电传感器的等效电路 a）电压源 b）电荷源 （a）等效电压源Ua (b)等效电荷源q 2、等效电路图 (2)压电传感器不适合于静态测量 由以上等效电路可知，只有当压电传感器内无漏损或外接负载RL??时，其受力后产生的电荷才能保持，否则将会放电。这对于静态和低频是极不利的。只有外力不断高频作用下，才能得以补充，因此，压电传感器不适于静态测量。 3、实际使用时，压电传感器完整等效电路 （1）完整的电压源等效电路 图6-12 电压源等效电路图 （2）完整的电荷源等效电路 图6-13 电荷源等效电路图 图中：Ca---压电传感器电容；Ra---传感器的漏阻 Cc---电缆导线对地电容；Ri----前置放大器的输入电阻 Ci----放大器的输入电容 二、测量电路 1.压电传感器的前置放大器的作用 由于传感器内阻很大，而输出信号很小，一般不能直接取用，故需加装前置放大器，其作用有： （1）把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗； （2）放大传感器输出的微弱信号。 2.前置放大器的形式 根据压电传感器等效电路可知，传感器可以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，所以相应有两种形式的放大器。 （1）电压放大器 （2）电荷放大器 3.电压放大器分析 (1)原理图 图6-14 连接放大器的等效电路图（a） 图6-15 连接放大器的等效电路图(b) 如图所示，其中等效电阻R 等效电容C 当外力作用下， (Fm为幅值) 根据压电效应 (d---压电常数) (2)放大器输入电压Ui的分析 当 时，上式简化为 其幅值 3、结论 （1）放大器的输入Uim幅值与作用力F的频率无关，因此具有较高的频响特性。 （2）改变传感器的电缆引线长度时，其电缆电容Cc的变化将引起放大器输入信号Uim的变化，因此测量中电缆的长度需要固定（Cc为常数），否则引起误差。 （3）电压灵敏度ku 即灵敏度与电路电容大小成反比关系。所以一般要求放大器的内阻Ri增大（电容C降低），则满足条件 。 4.电荷放大器分析 （1）原理图 图6-16 压电传感器电荷放大器的原理图 如图所示，具有深度负反馈的高增益放大器 （2）放大器USC输出分析 忽略