《感测技术基础》课件.ppt

a)极化前b)极化c)极化后压电陶瓷的极化过程极化，加电场再高温处理。晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域，称为电畴(1)在x方向,只有d15的厚度剪切压电效应(a)；(2)在y方向,只有d24的厚度剪切压电效应(b)；(3)在z方向,有d33的纵向压电效应(c),d31的横向压电效应(d),d32的横向压电效应；(f)图为三向压力相等时（如在液体中）压电效应压电效应的基本变形方式及压电常数压电陶瓷的压电常数。比石英晶体高数十倍。压电材料及压电元件的结构1压电材料选取合适的压电材料要求：1)具有较大的压电常数。2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3)具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，4)具有较高的居里点。5)压电材料有较好的时间稳定性。压电材料及压电元件的结构石英晶体石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质与天然石英晶体接近，成本较低。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但灵敏度很低，介电常数小。压电陶瓷，压电常数比石英晶体大数十倍。双片悬梁式压电传感器受力F作用，上面被拉长，下面被缩短，从而产生横向压电效应。每片压电片产生电荷压电元件的常用结构型式在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种。图a为并联接法，其输出电容C’=nC，输出电压U’=U，极板上的电荷量Q’=nQ。图b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇=nU，C＇=C/n。在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法电容小，输出电压高，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合，适用于测量瞬变信号。测量电路1等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面会聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图a所示。测量电路1等效电路还可以把压电式传感器等效成一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为要保存受力后产生的电荷,外电路的负载必须是无穷大,事实上做不到,只有外力以较高频率不断地作用,产生的电荷才能不断得到补充。所以，压电传感器不适合于静态测量,适合动态量测量。压电传感器相当于一个与电容串联的电压源压电传感器实际的等效电路

与测量仪表联接时，须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。2.电压放大器放大器输入电压:d为电荷灵敏度电压放大器输出与转换灵敏度从上式看，灵敏度有高通特性，若作用力的角频率ω降低，灵敏度下降。可见要提高测量灵敏度,在作用力的角频率不变的情况下，就应增大RC的值,而增加C的值又会减低灵敏度,一般都是加大放大器的输入电阻。结论：应选择输入电阻高的电压放大器，传感器的电缆会影响测量灵敏度。3.电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中Cf为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。?由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。为了稳定放大器的直流工作点，减小零点漂移，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈。压电式传感器的应用压电式传感器可用于力、压力、速度、