第6章---信息工程学院.pptVIP

当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。 习题 正逆压电效应的含义。 画图并说明压电元件的等效电路。 说明压电晶体和压电陶瓷产生压电效应的原因。 画图并说明压电传感器电压放大电路和电荷放大电路的原理及特点。 为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ （二）?? 压电陶瓷 1、? 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。 2、? 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 4、压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。 3、压电聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。 5.2 压电式传感器测量电路 5.2.1 压电材料的等效电路 由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时, 它也是一个电容器, 晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为   式中: A——压电片的面积;  d——压电片的厚度;  εr——压电材料的相对介电常数。 因此, 压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。 如图（a）所示, 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为  压电传感器也可以等效为一个电荷源。 如图（b）所示。 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入电阻Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra, 这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路, 如图所示。 5.2.2 压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。 1. 电压放大器（阻抗变换器） 图（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。  在图（b）中, 电阻R = RaRi/(Ra+Ri), 电容C = Ca+Cc+Ci, 而 ua = q/Ca, 若压电元件受正弦力f = Fmsinωt的作用, 则其电压为 式中: Um——压电元件输出电压幅值，Um = dFm/ Ca; d——压电系数。 由此可得放大器输入端电压Ui ，其复数形式为 的幅值为 输入电压和作用力之间相位差为 ω很大时, 则放大器的输入电压幅值Uim为 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为ω/ω0