现代检测技术电压式传感器.pptx

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1、一、压电效应（一）压电效应（一）压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，上述这种现象称为正压电效应。当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。具有压电效应的物质很多，常用压电材料如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。第1页/共22页（二）石英晶体的压电效应（二）石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶

2、体之一，它是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴z称光轴；经过正六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴；与z轴和x轴同时垂直的y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。将沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。第2页/共22页图8-1 石英晶体的外形与晶轴第3页/共22页当晶片在沿x轴的方向上受到压缩应力 作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶片的线性弹性范围内，极化强度 与应力 成正比，即：式中，为沿晶轴x方向施加的压缩力；为压电

3、系数，当受力方向和变形不同时压电系数也不同，石英晶体的 ；l、b 分别为石英晶片的长度和宽度。第4页/共22页压电系数 的下标mn的意义是：m表示产生电荷的面的轴向，n表示施加作用力的轴向。在石英晶体中，下标1对应x轴，2对应y轴，3对应z轴。极化强度 等于晶片表面的电荷密度，即：式中，为垂直于x轴平面上的电荷。把 值代入 得：第5页/共22页由上式可以看出，当晶片受到x向的压力作用时，与作用力 成正比，而与晶片的几何尺寸无关。其极间电压为：式中，电极面间电容，S极板面积，单位为 ；h晶片厚度，单位为 m；压电晶体的介电常数；真空介电常数（）；压电晶体的相对介电常数（4.58）。第6页/共22

4、页根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即 或用应变表示，则 式中，x轴方向的电场强度。在x轴方向施加压力时，石英晶体的x轴正向带正电；如果作用力 改为拉力，则在垂直于x轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，电荷的极性如图8-2所示。第7页/共22页图8-2 晶片上电荷极性与受力方向的关系第8页/共22页如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与x轴垂直平面上出现，其极性见图8-2，此时电荷的大小为：式中，为石英晶体在y轴方向上受力时的压电系数。根据石英晶体轴的对成条件：则上式为：式中，h为石英晶片厚度。第9页/共22页负号表示沿y轴的压缩力产生的电荷与沿x轴施加的压缩力所产生

5、的电荷极性相反。由上式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。则其电极间电压为根据逆压电效应，晶片在y轴方向将产生伸缩变形，即 或用应变表示 石英晶体除了有纵向、横向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。第10页/共22页由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场效应）之间呈线性关系。晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。第11页/共22页二、压电元件（一）压电元件的连接方式 在压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料一般不只用一片而是用两片或两片以上组合在一起，称为叠层式

6、压电组合器件。图8-3 两压电片的连接方式第12页/共22页在8-3a图中，两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，这种接法称为并联。其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压，即C=2C，U=U，q=2q图8-3b的接法是正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。从图中可知，输出的总电荷q等于单片电荷q，输出电压U为单片电压口U的两倍，总电容C为单片电容C的一半，即：q=q，U=2U，C=C/2第13页/共22页（二）等效电路 可以把压电传感器看成一个静电发生器，也可以把它视为两极板上聚集异

7、性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容值为：式中，S压电片面积；h压电片厚度；压电材料相对介电常数；真空介电常数()；压电元件的内部电容。第14页/共22页图8-4 压电传感器的等效电路第15页/共22页压电传感器在测量时要与测量电路相连接，于是就得考虑于是就考虑电缆电容 、放大器的输入电阻 、输入电容 ，以及压电传感器的泄漏电阻 。考虑这些因素，等效电路就如图8-5所示，它们的作用是等效的。将图8-5简化后的电路电路如图8-6所示。图8-5 压电传感器完整的等效电路图8-6 完整电路的等效电路第16页/共22页三、接口电路 压电式传感器本身的内阻很高，而输出的能量又非常微弱，因此它的测量电路通

8、常需要由一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配，然后方可采用一般的放大、检波、指示等电路，或者经功率放大至记录器。压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出：二是放大压电传感器输出的弱信号。因此设计前置放大器也有两种形式，一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。第17页/共22页（一）电压放大器压电传感器与电压放大器的连接电路如图8-7所示。图8-7 电压放大器第18页/共22页（二）电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其等效电路如图8-8所示。在使用压电传感器时

9、需注意该传感器不能测量静态参数，而采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正；采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正。图8-8 电荷放大器第19页/共22页四、压电式压力传感器 图8-9所示为 压电式压力传感器 的结构，压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上，使压电原价按受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。合理的设计使压电式压力传感器体积小，结构简单，具有较强的抗干扰能力，测量范围宽等特点，所以是一种应用较为广泛的测力传感器。但它不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数，因此目前多用来测量加速度和动态力或压力。第20页/共22页图8-9 压电式压力传感器结构第21页/共22页感谢您的观看！第22页/共22页