現(xiàn)代檢測技術(shù)電壓式傳感器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第1頁/共22頁（二）石英晶體的壓電效應(yīng)（二）石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體是最常用的壓電晶體之一，它是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中可以把它用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸z稱光軸；經(jīng)過正六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸；與z軸和x軸同時(shí)垂直的y軸(垂直于正六面體的棱面)稱為機(jī)械軸。 將沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。 而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，而沿光軸z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第2頁/共22頁圖8-1 石英晶體的外形與晶軸第3頁/共22頁當(dāng)晶片在沿x軸的方向上受到壓縮應(yīng)力 作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極

2、化現(xiàn)象。在晶片的線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度 與應(yīng)力 成正比，即： 式中， 為沿晶軸x方向施加的壓縮力； 為壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)壓電系數(shù)也不同，石英晶體的 ；l、b 分別為石英晶片的長度和寬度。xxPxlbFddPxxx1111xF11d11211103 . 2CNd第4頁/共22頁壓電系數(shù) 的下標(biāo)mn的意義是：m表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，n表示施加作用力的軸向。在石英晶體中，下標(biāo)1對(duì)應(yīng)x軸，2對(duì)應(yīng)y軸，3對(duì)應(yīng)z軸。極化強(qiáng)度 等于晶片表面的電荷密度，即： 式中， 為垂直于x軸平面上的電荷。把 值代入 得：mndxPlbqPxxxqxPlbFddPxxx1111xxFdP11第5頁/共22

3、頁由上式可以看出，當(dāng)晶片受到x向的壓力作用時(shí)， 與作用力 成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。其極間電壓為： 式中， 電極面間電容， S極板面積，單位為 ； h晶片厚度，單位為 m； 壓電晶體的介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)（ ）； 壓電晶體的相對(duì)介電常數(shù)（4.58）。 xqxFxxxxxCFdCqU11xChlbhShSCorrx02m0mF1201085. 8r第6頁/共22頁根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即 或用應(yīng)變表示，則 式中， x軸方向的電場強(qiáng)度。在x軸方向施加壓力時(shí)，石英晶體的x軸正向帶正電；如果作用力 改為拉力，則在垂直于x軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，電荷的極性如圖

4、8-2所示。xUdh11xxEdhUdhh1111xExF第7頁/共22頁圖8-2 晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系第8頁/共22頁如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與x軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖8-2，此時(shí)電荷的大小為： 式中， 為石英晶體在y軸方向上受力時(shí)的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸的對(duì)成條件： 則上式為： 式中，h為石英晶片厚度。yyxFhldFbhlbdq121212d1112ddyxFhldq11第9頁/共22頁負(fù)號(hào)表示沿y軸的壓縮力產(chǎn)生的電荷與沿x軸施加的壓縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。由上式可見，沿機(jī)械軸方向?qū)┘幼饔昧r(shí)，產(chǎn)生的電荷量與晶片的幾何尺寸有關(guān)。則其電

5、極間電壓為根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即 或用應(yīng)變表示 石英晶體除了有縱向、橫向壓電效應(yīng)外，在切向應(yīng)力作用下也會(huì)產(chǎn)生電荷。xyxyxCFhldCqU11xUhldl11xEdll11第10頁/共22頁由上述可知：無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場效應(yīng)）之間呈線性關(guān)系。晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。第11頁/共22頁（一）壓電元件的連接方式 在壓電傳感器中，為了提高靈敏度，壓電材料一般不只用一片而是用兩片或兩片以上組合在一起，稱為疊層式壓電組合器件。圖8-3 兩壓電片的連接方式第12頁/

6、共22頁在8-3a圖中，兩壓電片的負(fù)極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種接法稱為并聯(lián)。其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓，即C=2C，U=U，q=2q圖8-3b的接法是正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，輸出電壓U為單片電壓口U的兩倍，總電容C為單片電容C的一半，即：q=q，U=2U， C=C/2第13頁/共22頁（二）等效電路 可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，也可以把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，其電容值為： 式中，

7、 S壓電片面積； h壓電片厚度； 壓電材料相對(duì)介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)( )； 壓電元件的內(nèi)部電容。hSCra/0r0mF1201085. 8aC第14頁/共22頁圖8-4 壓電傳感器的等效電路第15頁/共22頁壓電傳感器在測量時(shí)要與測量電路相連接，于是就得考慮于是就考慮電纜電容 、放大器的輸入電阻 、輸入電容 ，以及壓電傳感器的泄漏電阻 。考慮這些因素，等效電路就如圖8-5所示，它們的作用是等效的。將圖8-5簡化后的電路電路如圖8-6所示。cCiRiCaR圖8-5 壓電傳感器完整的等效電路圖8-6 完整電路的等效電路第16頁/共22頁 壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高，而輸出的能量又非常微弱，因此它的測量電路通常需要由一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器作為阻抗匹配，然后方可采用一般的放大、檢波、指示等電路，或者經(jīng)功率放大至記錄器。 壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是把壓電傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出：二是放大壓電傳感器輸出的弱信號(hào)。因此設(shè)計(jì)前置放大器也有兩種形式，一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第17頁/共22頁（一）電壓放大器壓電傳感器與電壓放大器的連接電路如圖8-7所示。 圖8-7 電壓放大器第18頁/共22頁（二）電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖