压电式传感器-袁丽坚-.pptx

压电式传感器主讲人：袁丽坚

压电式传感器的基本工作原理学习内容认识压电材料测量转换电路压电式传感器的结构和应用

压电传感器一种典型的自发电式传感器，它由传力机构、压电元件和测量转换电路组成。

压电传感器压电元件以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电元件是力敏感元件，它也可以测量最终能变换为力的那些非电量物理量，如压力加速度等。

压电传感器压电效应电介质在沿一定方向上受到外力产生变形外力去掉，回到不带电状态内部产生极化现象，表面产生电荷逆压电效应极化方向上施加交变电场产生机械变形去外加电场，变形消失

Q—产生的电荷（单位：C）；d—压电系数（单位：C/N）；F—在晶体的弹性限度内施加的力（单位：N）压电材料的压电特性常用压电方程来描述：Q=dF

有机压电材料属于新一代的压电材料，其中较为重要的有压电半导体和高分子压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体。压电陶瓷是一种人工制造的多晶体。压电材料压电晶体压电陶瓷高分子压电聚合材料

压电材料要求有较好的转换性能、机械性能、电性能、环境适应性强、时间稳定性好等要求。压电材料特性要求

压电材料主要特性指标有：压电系数d、刚度H、介电常数ε、电阻R、居里点。

石英晶体压电材料中石英晶体中间棱柱断面的下半部分，其断面为正六边形。(a)石英晶体(b)石英晶体切片

石英晶体Z轴是晶体的对称轴，称为光轴，该轴方向上没有压电效应；X轴称为电轴，垂直于X轴晶面上的压电效应最显著；Y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。(a)石英晶体(b)石英晶体切片

当FX=0时，正负电荷中心重合，电偶极矩矢量和为0；当FX0时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负电荷中心不重合，电偶极矩在X方向的分量0；受到X方向的拉力（FX＞0）时，在X轴正向出现负电荷。石英晶体

纵向压电效应:沿着电轴X方向力的作用下，产生电荷的现象。石英晶体横向压电效应:沿机械轴Y方向力的作用下，产生电荷的现象。若沿晶片的X轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正、负电荷;若沿晶片的Y轴施加压力FY时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直于X轴的表面上，只是电荷的极性相反。

压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。钛酸钡压电陶瓷的电畴结构

压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。压电陶瓷压电原理

高分子压电材料高分子材料的压电系数很高，约为压电陶瓷的10倍，另外高分子材料的声阻抗远小于压电陶瓷，而且具有质量轻、机械强度好、是做电声、生物医用传感器很好的材料。

（a）电荷等效电路（b）电压等效电路压电元件的等效电路：压电元件相当于一个电荷发生器，当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器。电容器上的电压Ua、电荷量Q和电容Ca三者关系如下：测量转换电路

当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。测量转换电路

压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路。测量转换电路（a）电压等效电路（b）电荷等效电路qCSUSUS＝q/CSq＝USCSCS

压电式传感器的测量转换电路：根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压信号。测量转换电路压电放大器电荷放大器

测量转换电路电荷放大器等效电路电压放大器等效电路前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压成正比。电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。作用：把压电式传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。

压电元件常用的结构形式串联：C′＝C/2U′＝2UQ′＝Q并联：C′＝2CU′＝UQ′＝2Q压电陶瓷压电原理

主要有4种安装方法：螺钉安装、磁力安装座安装、粘接剂粘接、探针安装。压电式加速度传感器的安装

压电式传感器的应用压电效应和逆压电效应

案例一汽车安全气囊系统安全气囊系统主要由碰撞传感器、安全气囊处理器、SRS指示灯和气囊组件四部分组成。

案例一压电式加速度检测传感器系统不断向控制装置发送加速度信息，由控制装置对这些信息加以分析判断，如果所测的加速度、速度变化量或其它指标超过预定值（即发生碰撞），则控制装置向气体发生器发出点火命令或传感器直接控制点火，点火后发生爆炸反应，产生N2或将储气罐中压缩氮气释放出来充满碰撞气袋。

案例二电子