第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 4.6 压电式传感器 压电式传感器是利用压电材料的压电效应把受力的变 化转换成电压或电流的变化信号。 4.6.1压电效应 正压电效应：对某些材料沿一定方向施力而使其变形， 内部产生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当 外力去掉后，表面又回到不带电状态。 压电效应是可逆的，当在电介质的极化方向上施加电 场，这些电介质也会变形，这称为逆压电效应或电致伸缩效 应。 g dF d是材料的压电常数
广东工业大学机电工程学院 4.6.1 压电效应 正压电效应：对某些材料沿一定方向施力而使其变形， 内部产生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当 外力去掉后，表面又回到不带电状态。 压电效应是可逆的，当在电介质的极化方向上施加电 场，这些电介质也会变形，这称为逆压电效应或电致伸缩效 应。 dFq d是材料的压电常数。 第四章 常用传感器和敏感元件 4.6 压电式传感器 压电式传感器是利用压电材料的压电效应把受力的变 化转换成电压或电流的变化信号
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 1. 压电材料 ■压电材料主要有压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。 >压电晶体一般为单晶体，常用的有石英晶体、铌酸锂、 钽酸锂等。自然界中大部分晶体的压电效应比较弱。 > 压电陶瓷是人造多晶体，常用的有钛酸钡、锆钛酸铅等。 > 新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子压电薄膜。 (1)天然物质：石英晶体 ■压电效应弱，2.31*1012CN,可承 受700-1000kg/cm2,但稳定，可用作 标准的加速度计。 ■天然结晶形状是六角晶柱，它是一 个正六面体，用直角坐标三个轴来表 石英晶体 b) 示 a)右旋石英晶体b)石英品体的晶轴
广东工业大学机电工程学院 （1）天然物质：石英晶体 压电效应弱，2.31*10-12C/N，可承 受700~1000kg/cm 2 ，但稳定，可用作 标准的加速度计。 天然结晶形状是六角晶柱，它是一 个正六面体，用直角坐标三个轴来表 示 。 1. 压电材料 压电材料主要有压电晶体、 压电陶瓷和新型压电材料。 压电晶体一般为单晶体，常用的有石英晶体、铌酸锂、 钽酸锂等。自然界中大部分晶体的压电效应比较弱。 压电陶瓷是人造多晶体，常用的有钛酸钡、锆钛酸铅等。 新型压电材料主要有压电半导体和有机高分子压电薄膜。 第四章 常用传感器和敏感元件
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 石英晶体的压电效应 >纵向压电效应：沿电轴x方向施力，在⊥x轴表面产生电荷。 >横向压电效应：沿力轴y方向施力，在⊥x轴表面产生电荷。 >切向压电效应：沿相对平行面加力，在⊥x轴表面产生电荷。 沿光轴z方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变。 光轴 纵轴线z (b) 石英晶体的压申效应 电轴 穿过棱线且Lz轴的x轴 ()纵向压电效应：b)横向压电效应：(c)切向压电效应 力轴 (机械轴)一⊥棱面的y轴
广东工业大学机电工程学院 石英晶体的压电效应 纵向压电效应: 沿电轴x 方向施力，在x轴表面产生电荷 。 横向压电效应：沿力轴y 方向施力，在x轴表面产生电荷。 切向压电效应：沿相对平行面加力，在x轴表面产生电荷。 • 沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； • 若改变受力方向，表面极性也相应改变。 第四章 常用传感器和敏感元件 光轴纵轴线z 电轴穿过棱线且z轴的x轴 力轴（机械轴） 棱面的y轴
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 (2)压电陶瓷一人造 原始的压电陶瓷材料是没有压电性的，只有经过极化后 才具有压电性。 ■人工制造：压电陶瓷一压电效应强，1.9*109CN,但稳 定性差，用作工作时的加速度计。 海宁 限
广东工业大学机电工程学院 （2）压电陶瓷——人造 第四章 常用传感器和敏感元件 原始的压电陶瓷材料是没有压电性的，只有经过极化后 才具有压电性。 人工制造：压电陶瓷—压电效应强， 1.9*10-9C/N，但稳 定性差，用作工作时的加速度计
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 2.力与电荷的关系 沿x轴方向加力F×,在垂直于x轴的压电晶体表面上积 聚的电荷量为 q=diFx d,一压电常数，与材质和切片方向有关 >若压电体受到多方向的力，各表面都会积聚电荷 每个表面上的电荷量不仅与作用于该面上的垂直力有 关，还与压电体其他面上所受的力有关
广东工业大学机电工程学院 沿 x轴方向加力 F x，在垂直于 x轴的压电晶体表面上积 聚的电荷量为 d11 —压电常数，与材质和切片方向有关 若压电体受到多方向的力，各表面都会积聚电荷 每个表面上的电荷量不仅与作用于该面上的垂直力有 关，还与压电体其他面上所受的力有关。 2.力与电荷的关系 第四章 常用传感器和敏感元件
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 3.压电式传感器及其等效电路 (1)压电式传感器是在压电晶片两个工作面上镀上金属 膜，实质上是一个的电荷源。 (2)也可以当成电容。 EoSA δ8 金风议 一晶片相对介电常数 石英为4.5F/m,钛酸 钡为1200F/m。 0一真空介电常数 A一工作面面积 δ一晶片厚度
广东工业大学机电工程学院 3. 压电式传感器及其等效电路 （1）压电式传感器是在压电晶片两个工作面上镀上金属 膜，实质上是一个的电荷源。 （2）也可以当成电容。 晶片相对介电常数 石英为4.5F/m，钛酸 钡为1200F/m。 0 真空介电常数 A 工作面面积 晶片厚度 第四章 常用传感器和敏感元件 0 A C
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 (3)双晶片连接形式 通常双晶片连接，总电荷、总电压如下： ■并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。 U′=UQ′=2Q则C′=2C 并联输出电荷大，本身电容大（时间常 数大一些)，允许被测对象变化频率稍低 并联 ■串联：用于电压作为输出量场合。 U′=2UQ′=Q 则C′=(1/2)C 串联输出电压大，本身电容小，要求后 续电路有较大的输入阻抗。 串联
广东工业大学机电工程学院 （3）双晶片连接形式 通常双晶片连接，总电荷、总电压如下： 并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。 U＇=U Q ＇ =2Q 则C ＇ =2C 串联：用于电压作为输出量场合。 U ＇=2U Q ＇=Q 则C ＇=（1/2）C 并联输出电荷大，本身电容大（时间常 数大一些），允许被测对象变化频率稍低 。 串联输出电压大，本身电容小，要求后 续电路有较大的输入阻抗。 第四章 常用传感器和敏感元件
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 (4) 两种等效电路： 电荷等效电路：一个电荷源 Q和一个电容器C并联 电压等效电路：一个电压源 U=q/C和一个电容器C串联 。 等效电荷源 等效电压源 ■等效电路表明 >和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产 生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。 >负载无穷大，则力不变，电荷不变，如果负载不是无穷 大，出现电荷泄露现象，电路将按指数规律放电，因 此不适合静态长时间测量。 >适宜做动态测量
广东工业大学机电工程学院 （ 4）两种等效电路： 电荷等效电路：一个电荷源 Q和一个电容器 C并联 电压等效电路：一个电压源 U=q/C和一个电容器 C串联 。 第四章 常用传感器和敏感元件 等效电路表明 和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产 生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。 负载无穷大，则力不变，电荷不变，如果负载不是无穷 大，出现 电荷泄露现象，电路将按指数规律放电，因 此不适合静态长时间测量。 适宜做动态测量
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 4.测量电路 压电式传感器产生的电荷量很微弱，本身内阻很大，输出能 量很小。 输出阻抗很高 输出阻抗适当降低 压电传感器 前置放大器 般仪器 前置放大器的作用 阻抗变换作用：高阻抗→低阻抗 功率放大作用：放大传感器的微弱信号 电压放大器一 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 前置放大器 (阻抗变换器) 输出电压c输入电压 电荷放大器一高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源 输出电压c输入电荷
广东工业大学机电工程学院 4. 测量电路 阻抗变换作用：高阻抗低阻抗 功率放大作用：放大传感器的微弱信号 电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 (阻抗变换器) 输出电压输入电压 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源 输出电压输入电荷 前置放大器的作用 前置放大器 压电传感器 前置放大器 一般仪器 输出阻抗很高 输出阻抗适当降低 压电式传感器产生的电荷量很微弱，本身内阻很大，输出能 量很小。 第四章 常用传感器和敏感元件
第四章常用传感器和敏感元件 广东工业大学机电工程学院 (1)电压放大电路 @RCa U 1+[@R(Ca+Cc+Ci)]2 Usc Rc Ri 1 0>> R(Ca+Cc+Ci) 电压测量电路 Ca一压电元件电容Ra一传感器绝缘电阻 Ca Cc一电缆电容 Rc- 电缆电容 Usc .U Ci一前置放天器输入电容 Ca+Cc+Ci Ri一前置放大器输入电阻 可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关
广东工业大学机电工程学院 （1）电压放大电路 ）电压放大电路 可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点：高频响应相当好 缺点：与电缆电容有关 SC Ux R CcCa Ci RCa U 2 ([1 )] ( ) 1 R CiCcCa SC Ux CiCcCa Ca U 第四章 常用传感器和敏感元件