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第第6章章-压电式传感器压电式传感器本讲稿第一页，共十六页原理原理 压电式传感器是利用压电效应将力的变化转压电式传感器是利用压电效应将力的变化转换成电量的变化。换成电量的变化。压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性质。压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性质。压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性质。压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性质。压电式传感器是典型的压电式传感器是典型的压电式传感器是典型的压电式传感器是典型的“双向双向双向双向”传感器。传感器。传感器。传感器。主要缺点是无静态输出。主要缺点是无静态输出。主要缺点是无静态输出。主要缺点是无静态输出。本讲稿第二页，共十六页6-1 压电效应与压电材料 一、压电效应一、压电效应 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应正压电效应”机械能机械能转变为电能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为生机械形变，这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”电能转变为机械能电能转变为机械能。具有压电效。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。应的物质（电介质）称为压电材料。F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性本讲稿第三页，共十六页 压电效应的物理机制压电效应的物理机制 结晶形状是六角晶柱，截面是一个正六边形，我结晶形状是六角晶柱，截面是一个正六边形，我结晶形状是六角晶柱，截面是一个正六边形，我结晶形状是六角晶柱，截面是一个正六边形，我们用直角坐标三个轴来表示：们用直角坐标三个轴来表示：们用直角坐标三个轴来表示：们用直角坐标三个轴来表示：纵轴线纵轴线纵轴线纵轴线z z 光轴光轴光轴光轴 穿过棱线且穿过棱线且穿过棱线且穿过棱线且 z z轴的轴的轴的轴的x x轴轴轴轴 电轴电轴电轴电轴 棱面的棱面的棱面的棱面的y y轴轴轴轴 力轴（机械轴）力轴（机械轴）力轴（机械轴）力轴（机械轴）石英晶体：石英晶体：本讲稿第四页，共十六页现象：现象：1)沿电轴沿电轴x 方向施力，在方向施力，在 x轴表面产生电荷轴表面产生电荷 纵纵向压电效应向压电效应 沿力轴沿力轴y 方向施力，也在方向施力，也在 x轴表面产生电荷轴表面产生电荷 横横向压电效应向压电效应 沿光轴沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷；方向施力，表面不产生电荷；2)若改变受力方向，表面极性也相应改变；若改变受力方向，表面极性也相应改变；3)可以使可以使x、y方向都受压或受拉。方向都受压或受拉。本讲稿第五页，共十六页二、压电材料二、压电材料压电晶体压电晶体 石英晶体石英晶体(天然、人工天然、人工)：对温湿度变化不敏感，稳定性好，弹性模数大，能承受对温湿度变化不敏感，稳定性好，弹性模数大，能承受108Pa压力，绝缘性、重复性均好，精度高，天然石英尤佳。价格贵，常用于精度和稳定性要求高的场合和制作压力，绝缘性、重复性均好，精度高，天然石英尤佳。价格贵，常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。标准传感器。铌酸锂铌酸锂：化学单晶，居里点高达化学单晶，居里点高达12000C，特别适合做高温传感器。质地脆，耐冲击性差，加工和使用时，特别适合做高温传感器。质地脆，耐冲击性差，加工和使用时要小心谨慎，避免急冷急热。价格也较贵。要小心谨慎，避免急冷急热。价格也较贵。压电陶瓷压电陶瓷 多晶体，种类很多，如钛酸钡多晶体，种类很多，如钛酸钡(铅铅)、锆酸铅等，耐温湿较好（不如石英），便宜，压电效应强，但噪声大，、锆酸铅等，耐温湿较好（不如石英），便宜，压电效应强，但噪声大，对于高稳定性传感器其应用受到限制。对于高稳定性传感器其应用受到限制。新型压电材料新型压电材料 压电半导体压电半导体：既有压电特性又有半导体特性，可设计制作集成压电传感器测试系统。既有压电特性又有半导体特性，可设计制作集成压电传感器测试系统。有机高分子压电材料有机高分子压电材料：柔韧性好：柔韧性好本讲稿第六页，共十六页 压电陶瓷：压电陶瓷：压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图图7-5束缚电荷和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷本讲稿第七页，共十六页6-2 压电元件常用结构形式双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：1 1）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。）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 U=U Q=2Q 则则则则C=2CC=2C 2 2）串联：用于电压作为输出量场合。）串联：用于电压作为输出量场合。）串联：用于电压作为输出量场合。）串联：用于电压作为输出量场合。U=2U Q=Q U=2U Q=Q 则则则则C=C=（1/21/2）C C 这种联接，输出电荷大，本身电这种联接，输出电荷大，本身电这种联接，输出电荷大，本身电这种联接，输出电荷大，本身电容大，允许被测对象变化频率稍低。容大，允许被测对象变化频率稍低。容大，允许被测对象变化频率稍低。容大，允许被测对象变化频率稍低。这种联接，输出电压大，本身电这种联接，输出电压大，本身电这种联接，输出电压大，本身电这种联接，输出电压大，本身电容小，要求后续电路有较大的输入容小，要求后续电路有较大的输入容小，要求后续电路有较大的输入容小，要求后续电路有较大的输入阻抗。阻抗。阻抗。阻抗。本讲稿第八页，共十六页6-3 等效电路及转换电路等效电路及转换电路 内部一个电荷源内部一个电荷源Q和一个电容器和一个电容器C并联并联 电荷等效电路电荷等效电路一个电压源一个电压源U=Q/C和一个电容器和一个电容器C串联串联 电压等效电路电压等效电路本讲稿第九页，共十六页阻抗匹配阻抗匹配阻抗匹配阻抗匹配信号信号信号信号(功率功率功率功率)放大放大放大放大电压放大器电压放大器电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器 前置放大器的作用前置放大器的作用前置放大器的作用前置放大器的作用压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器一般仪器一般仪器一般仪器一般仪器前置放大器前置放大器前置放大器前置放大器输出阻抗很高输出阻抗很高输出阻抗很高输出阻抗很高输出阻抗适当降低输出阻抗适当降低输出阻抗适当降低输出阻抗适当降低本讲稿第十页，共十六页一、电压放大器一、电压放大器本讲稿第十一页，共十六页结论结论电缆电容使灵敏度减小电缆电容使灵敏度减小更换电缆需重新校正灵敏度更换电缆需重新校正灵敏度动态特性好动态特性好低频特性扩展低频特性扩展本讲稿第十二页，共十六页二、电荷放大器二、电荷放大器本讲稿第十三页，共十六页结论结论:当频率足够高时：当频率足够高时：突出优点：与电缆电容无关突出优点：与电缆电容无关当频率很低时：当频率很低时：高频特性好、准静态高频特性好、准静态（高频（高频180KHz，低频，低频10-4Hz）本讲稿第十四页，共十六页应用实例应用实例:正压电效应应用实例：正压电效应应用实例：细颈瓶内经测量细颈瓶内经测量负压电效应应用实例：负压电效应应用实例：数控车床工件微位移定位数控车床工件微位移定位本讲稿第十五页，共十六页思考题思考题:计算说明为什么电荷放大器计算说明为什么电荷放大器优于电压放大器。优于电压放大器。本讲稿第十六页，共十六页