第六章压电式传感器
第六章 压电式传感器
8.1压电效应 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化 现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它 又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改 变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电 效应。 8.1.1石英晶体的压电效应 图8.1石英晶体 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 8.1 压电效应 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化 现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它 又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改 变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电 效应。 8.1.1 石英晶体的压电效应 图8.1 石英晶体
8.1.2压电陶瓷的压电效应 图8.2压电陶瓷的极化过程和压电原理图 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 8.1.2 压电陶瓷的压电效应 图8.2 压电陶瓷的极化过程和压电原理图
8.2压电材料 压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是 多晶体。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。 8.2.1石英晶体 石英就是二氧化硅(S02)，是一种压电晶体，除了石英晶体外，常 用的压电晶体还有酒石酸钾钠(NaKC4HO64H20)，铌酸锂(LiNbO2) 等。 8.2.2压电陶瓷 1.钛酸钡压电陶瓷 由钛酸钡(BaTiO3)是由碳酸钡(BaC03)和氧化钛(TiO2)在高温 下合成。 2.锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅是由钛酸铅(PbTiO2)和锆酸铅(PbZrO3)组成的固溶体Pb (ZrTi03)。 3.铌酸盐系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅(PbNbO2)为基础 制成 除了以上几种压电材料，近年来，又出现了铌镁酸铅压电陶瓷(PMN), 具有极高的压电常数，居里点为260℃，可承受700kg/cm的压力。 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 8.2 压电材料 压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是 多晶体。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。 8.2.1 石英晶体 石英就是二氧化硅（SiO2），是一种压电晶体，除了石英晶体外，常 用的压电晶体还有酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O），铌酸锂（LiNbO2） 等。 8.2.2 压电陶瓷 1．钛酸钡压电陶瓷 由钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和氧化钛（TiO2）在高温 下合成。 2．锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的固溶体Pb （ZrTiO3）。 3．铌酸盐系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO2）为基础 制成。 除了以上几种压电材料，近年来，又出现了铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）， 具有极高的压电常数，居里点为260℃，可承受700kg/cm2的压力
8.3压电式传感器测量电路 8.3.1压电器件的串联与并联 图83压电元件的串联和并联接法 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量 电路输入阻抗很高的场合；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。 8.3.2压电式传感器的等效电路 可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源，如图8.4(a) 所示。压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电 路，如图8.4(b)。 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 8.3 压电式传感器测量电路 8.3.1 压电器件的串联与并联 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量 电路输入阻抗很高的场合；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。 8.3.2 压电式传感器的等效电路 可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源，如图8.4（a） 所示。压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电 路，如图8.4（b）。 图8.3 压电元件的串联和并联接法
图8.4压电传感器的等效电路 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这 就要考虑连接电缆电容C。、放大器的输入电阻R和输入电容C。如图8.5所示 为压电传感器测试系统完整的等效电路。 图8.5压电传感器的实际等效电路 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 图8.5 压电传感器的实际等效电路 图8.4 压电传感器的等效电路 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这 就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。如图8.5所示 为压电传感器测试系统完整的等效电路
8.3.3压电式传感器的测量电路 1.电压放大器（阻抗变换器） 图8.6电压放大器电路原理及其等效电路图 dF C+C.+C 前置放大器输入电压U1与频率无关。一般认为w/>3时就可以 认为U与o无关。 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 8.3.3 压电式传感器的测量电路 1．电压放大器（阻抗变换器） 前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为w/w0 >3时就可以 认为Uim与w无关。 图8.6 电压放大器电路原理及其等效电路图 m im a c i dF U C C C = + +
2.电荷放大器 由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 为 U。= -Ag C+C。+C+(1+A)C 通常A=104~106,因此若 满足(1+A)C>Ca+Ce+C时， 图8.7电荷放大器等效电路 则 U0≈二9 电荷放大器的输出电压U与电缆电容C无关，且与g成正比，这 是电荷放大器的最大特点。 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 2．电荷放大器 由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 为 通常A=104～106，因此若 满足(1+A)Cf>>Ca +Cc +Ci时， 则 图8.7 电荷放大器等效电路 o a c i f + (1 ) Aq U C +C C + + A C = - C f q U − 0 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这 是电荷放大器的最大特点
8.4压电式传感器应用举例 1.压电式压力传感器 (1)单向力传感器 (2)压电式压力传感器测量冲床压力 (3)压电式压力传感器测量金属加工切削力 图8.8单向压电石英力传感器的结构 图8.9冲床压力检测 图8.10压电式刀具切削力测量示意图 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 8.4 压电式传感器应用举例 1．压电式压力传感器 （1）单向力传感器 （2）压电式压力传感器测量冲床压力 （3）压电式压力传感器测量金属加工切削力 图8.9 冲床压力检测 图8.8 单向压电石英力传感器的结构 图8.10 压电式刀具切削力测量示意图
2.压电式加速度传感器 图8.11压电式加速度传感器结构图 图8.12表面粗糙度测量 3.用压电式传感器测表面粗糙程度 第8章压电式传感器
第8章 压电式传感器 2．压电式加速度传感器 3．用压电式传感器测表面粗糙程度 图8.11 压电式加速度传感器结构图 图8.12 表面粗糙度测量