第2章傳感器與調理技術1

1、虛擬儀器常用傳感器虛擬儀器常用傳感器與信號調理技術與信號調理技術2.1 虛擬儀器常用傳感器n2121世紀的社會是信息社會?，F(xiàn)代信息世紀的社會是信息社會?，F(xiàn)代信息技術包括三大組成部分：技術包括三大組成部分： 傳感器技術傳感器技術信息采集信息采集 通信技術通信技術-信息傳遞信息傳遞 計算機技術計算機技術信息處理信息處理n傳感器技術位于信息技術之首。傳感器技術位于信息技術之首。 傳感器傳感器 給我們的生活帶來了便利和幫助給我們的生活帶來了便利和幫助2.1.1 傳感器概述 n傳感器傳感器（SensorSensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件

2、和裝置。一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。n包含的概念包含的概念n它是由它是由敏感元件敏感元件和和轉換元件轉換元件構成的檢測裝置；構成的檢測裝置； n能按一定能按一定規(guī)律規(guī)律將被測量轉換成電信號輸出；將被測量轉換成電信號輸出； n傳感器的輸出與輸入之間存在傳感器的輸出與輸入之間存在確定的關系確定的關系。按使用的場合不同又稱為按使用的場合不同又稱為: :變換器變換器、換能器換能器、探測器探測器。1.1.傳感器的定義傳感器的定義2.傳感器的組成n傳感器由敏感元件、轉換元件、測量電路三部分組成。傳感器由敏感元件、轉換元件、測量電路三部分組成。 敏感元件敏感元件感受被測量感受被測量; ; 轉換

3、元件轉換元件將響應的被測量轉換成電參量將響應的被測量轉換成電參量; ; 測量電路測量電路（信號調節(jié)與轉換電路）將傳感元件輸出的微?。ㄐ盘栒{節(jié)與轉換電路）將傳感元件輸出的微小的電信號變換成便于顯示、記錄、處理和控制的能直接利用的電信號變換成便于顯示、記錄、處理和控制的能直接利用的電信號。的電信號。 3.傳感器分類4.傳感器技術的作用和地位 傳感器廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、傳感器廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設備、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設備、智能樓宇和家用電器等領域。是構建智能樓宇和家用電器等領域。是構建現(xiàn)代信息系統(tǒng)

4、的重要組成部分?，F(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。機械手、機器人中的傳感器 轉動轉動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。嗅覺傳感器。 密歇根大學的機械手裝配模型密歇根大學的機械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機器狗廣州中鳴數(shù)碼的機器狗AGV自動送貨車 超聲波測距傳感器、判斷超聲波測距傳感器、判斷建筑物內人和物所在位置；建筑物內人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和紅外線色彩傳感器運動軌跡和AGV小車位置小車位置識別；條形識別；條形碼傳感器，碼傳感器

5、，貨品識別。貨品識別。香港理工香港理工AGV模型模型循跡小車產品質量測量 在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。 圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括包括潤滑油溫度潤滑油溫度、冷卻水溫度冷卻水溫度、燃油壓力燃油壓力及及發(fā)動機轉速發(fā)動機轉速等。通過對抽樣汽車的測試，等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產品質量。工程師可以了解產品質量。汽車扭距測量汽車扭距測量機床加工精度測量機床加工精度測量樓宇控制與安全防護 4、 為使建筑物

6、成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。度監(jiān)測、電梯運行狀況。 圖示為某公司樓宇自動化系圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調安全監(jiān)測、照明控制、空調控制、停車管理、水控制、停車管理、水/廢水管廢水管理和電梯監(jiān)控。理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器其他應用 航

7、天航天農業(yè)農業(yè)交通交通醫(yī)學醫(yī)學5.傳感器發(fā)展趨勢 目前傳感器總的發(fā)展趨勢是目前傳感器總的發(fā)展趨勢是 : （1 1）新材料新材料的開發(fā)和應用；的開發(fā)和應用； （2 2）新工藝、新技術新工藝、新技術的應用；的應用；（3 3）新的效應新的效應的應用；的應用；（4 4）傳感器的）傳感器的集成化集成化； （5 5）傳感器的）傳感器的多維化多維化； （6 6）傳感器的）傳感器的多功能化多功能化； （7 7）傳感器的）傳感器的智能化智能化。 2.1.2 應變式傳感器高精度電子汽車衡高精度電子汽車衡廣泛應用于：廣泛應用于：1. 工作原理應變效應：應變效應：當導體或半導體在外界力的作用下發(fā)當導體或半導體在外界力

8、的作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為應變效應應變效應。應變效應應變效應n當電阻絲受到拉力當電阻絲受到拉力F F作用時作用時, , 將伸長將伸長L, L, 橫截面積橫截面積相應減小相應減小S, S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變變, , 故引起電阻值相對變化量。故引起電阻值相對變化量。SLR.應變效應應變效應SSLLRR式中式中L/L是是長度相對變化量長度相對變化量, 用用應變應變表示表示 LLS/S為圓形電阻絲的為圓形電阻絲的截面積截面積相對變化量相對變化量, 即即 rrSS2又又由材料

9、力學可知，在彈由材料力學可知，在彈性范圍內性范圍內LLrr電阻絲材料的泊松比電阻絲材料的泊松比)21 (RRSLR.電阻絲的靈敏系數(shù)n電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)：把單位應變能引起的電阻值變：把單位應變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)?；Q為電阻絲的靈敏度系數(shù)。n其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量，其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化量， 其表達式為：其表達式為：21RdRK工作原理說明演示實驗2. 應變片的基本結構與種類 由敏感柵、基片、覆蓋層和引線由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。等部分組成。 是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣的

10、基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導線。兩端焊接引出導線。n金屬電阻應變片的敏感柵有：金屬電阻應變片的敏感柵有： 絲式絲式箔式箔式金屬絲式應變片 1-1-基片；基片；2-2-電阻絲；電阻絲；3-3-覆蓋層；覆蓋層；4-4-引出線引出線 其靈敏度系數(shù)多在其靈敏度系數(shù)多在1.71.73.63.6之間之間金屬箔式應變片 箔式應變片結構箔式應變片結構在絕緣基底上，將厚在絕緣基底上，將厚度為度為0.0030.0030.01mm0.01mm電阻箔材，利用照相電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種法，制成適用于各種需要

11、的形狀。需要的形狀。 3. 電阻應變片的測量電路 n由于機械應變一般都很小，要把微小應變由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化電阻相對變化R/RR/R轉換為電壓或電流的轉換為電壓或電流的變化。需要有專用測量電路用于測量應變變化。需要有專用測量電路用于測量應變變化而引起電阻變化的測量電路。變化而引起電阻變化的測量電路。 直流電橋直流電橋 交流電橋交流電橋 直流電橋 直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件 負載負載RLRL（開路）（開路）)(4332110RRRRRREU當電橋平衡時當電橋平衡時, Uo=0, 則有則有

12、 R1R4 = R2R3 或4321RRRR這說明欲使電橋平衡這說明欲使電橋平衡, , 其相鄰兩臂電阻的比其相鄰兩臂電阻的比值應相等值應相等, , 或相對兩或相對兩臂電阻的乘積相等。臂電阻的乘積相等。 電壓靈敏度n設設R1R1為應變片，應變時為應變片，應變時R1R1變化量為變化量為R1R1，這時電橋，這時電橋失衡，不平衡輸出電壓為：失衡，不平衡輸出電壓為：)()(4321141433211110RRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1 (3412111134RRRRRRRRRRE 設橋臂比設橋臂比n = Rn = R2 2/R/R1 11120)1 (RRnnEU電壓靈敏度討論 2110

13、)1 (nnERRUKU由差動電橋電壓靈敏度 差動電橋可補償非線性誤差，而且電橋電壓靈敏差動電橋可補償非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度度K KU U比單臂工作時提高比單臂工作時提高, , 同時還具有溫度補償作用。同時還具有溫度補償作用。1102RREU110RREU電壓靈敏度是單片的電壓靈敏度是單片的 4 4 倍倍電壓靈敏度是單片的電壓靈敏度是單片的 2 2 倍倍差動應變實驗4. 應變式傳感器的應用n電阻應變式傳感器按用途不同可分為：電阻應變式傳感器按用途不同可分為： 應變式測力（稱重）傳感器應變式測力（稱重）傳感器 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器 應變式位移傳感器應變式位移傳感器 應變式加速

14、度傳感器應變式加速度傳感器 等幾類等幾類應變式傳感器的應用主要體現(xiàn)在兩個方面將應變片粘貼于被測構件上，直將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的接用來測定構件的應變和應力應變和應力。將應變片貼于彈性元件上，與彈將應變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。這性元件一起構成應變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、加種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數(shù)。速度等物理參數(shù)。（1）應變式傳感器測力應變式傳感器測力演示（2）應變式壓力傳感器Phr0圓形金屬膜片圓形金屬膜片徑徑向向應應變變切向應變切向應變R1 R20.58rR3 R4膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器（3）應變式加速

15、度傳感器 1質量塊質量塊 2等強度梁等強度梁 3殼體殼體 4電阻應變片電阻應變片mFa （4）應變式傳感器測橋梁固有頻率測量南京長江二橋通車應變試驗南京長江二橋通車應變試驗2.1.3 電容式傳感器n電容式傳感器是把被測量的變化轉換成電容式傳感器是把被測量的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。電容量變化的一種傳感器。n傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、傳統(tǒng)電容式傳感器主要用于位移、振動、角度、加速度等機械量精密測量?，F(xiàn)逐角度、加速度等機械量精密測量。現(xiàn)逐漸應用于壓力、壓差、液面、成份含量漸應用于壓力、壓差、液面、成份含量等方面的測量。等方面的測量。各種電容式傳感器電容式接近開關電容式接近開關電容

16、式指紋傳感器電容式指紋傳感器電容式變送器電容式變送器差壓傳感器1. 電容式傳感器工作原理和類型n由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為：果不考慮邊緣效應，其電容量為： A A 極板相對覆蓋面積極板相對覆蓋面積d d 極板間距離極板間距離r r相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)0 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) 電容極板間介質的介電常數(shù)電容極板間介質的介電常數(shù) dAdAcr0dA電容傳感器的結構類型變極距型傳感器變面積式電容傳感器平面線平面線位移型位移型+柱面線位移型柱面線位移型. .角位移型角位移型. .變介質型傳感器

17、變介質型傳感器(1)變極距型電容傳感器 當當傳感器傳感器的的r r和和A A為常數(shù)為常數(shù), , 初始極距為初始極距為d d0 0時時, , 其初始電容量其初始電容量C C0 0為為: :000dAdACr變極距型電容傳感器n若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d0d0縮縮小小dd，電容量增大，電容量增大CC，則有，則有: :)(1 20000ddddddcc00 略去高次 項ddcc有0001ddcck電容傳感器電容傳感器的靈敏度：的靈敏度：000001ddcddACCCr電容的相對容量為電容的相對容量為:時，按泰勒級數(shù)展開：當10dd0001ddddcc變極距型差動結構dd上

18、靜片上靜片下靜片下靜片動片動片0011ddcc0021ddcc數(shù)展開泰勒時，當級按10dd電容總的變化量為：電容總的變化量為：)(2300021ddddcccc002ddcc略去高次項：略去高次項：0002ddcck電容傳感器電容傳感器的靈敏度：的靈敏度：（2）變面積型電容傳感器當動極板相對于定極板沿著長度當動極板相對于定極板沿著長度方向平移時，其電容變化量化為方向平移時，其電容變化量化為axccdbxacr0000)(（3）變介電常數(shù)型電容式傳感器n當某種介質在兩固定極板之間運動時，電容量與介當某種介質在兩固定極板之間運動時，電容量與介質參數(shù)之間的關系為：質參數(shù)之間的關系為：rdD動片動片r

19、變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況：變介電常數(shù)式電容傳感器分幾種情況： 測介電常數(shù)測介電常數(shù) 測厚度測厚度d drddDAC0變介電常數(shù)的兩種類型 d d為運動介質的厚度，為運動介質的厚度，d d保持不變，改變保持不變，改變介電常數(shù)，介電常數(shù)， 可作可作為介電常數(shù)的測試儀器。為介電常數(shù)的測試儀器。)(0rrddDAC2. 電容式傳感器測量電路（1）運算放大器式電路：能克服變極距型電容傳感器的非線性能克服變極距型電容傳感器的非線性. Cx是傳感器電容是傳感器電容C是固定電容是固定電容u0是輸出電壓信號是輸出電壓信號 uCCxu0uj Cj CuCCuxx011 / ()/ ()A（2）二極管雙T型

20、電路e e是高頻電源是高頻電源, , 它提供幅值為它提供幅值為U Ui i的對的對稱方波稱方波D D1 1、D D2 2為特性完全相同的兩個二極管為特性完全相同的兩個二極管R1 = R2 = RC C1 1、C C2 2為傳感器的兩個差動電容，為傳感器的兩個差動電容，當傳感器沒有輸入時當傳感器沒有輸入時,C,C1 1=C=C2 2 工作原理分析：工作原理分析：e e為正半周為正半周 e e為負半周為負半周雙T型電路工作原理n若傳感器輸入不為若傳感器輸入不為 0, 0, 則則C C1 1CC2 2, , 那么那么I I1 1II2 2, , 此時此時R RL L上必定上必定有信號輸出有信號輸出,

21、 , 其輸出在一個周期內的平均值為其輸出在一個周期內的平均值為TRIULL10dttItIT)()(201LR)()()2(212ccfURRRRRRiLLL式中式中f f為電源頻率。為電源頻率。 當當R RL L已知已知MRRRRRRLLL2)()2(（常數(shù)）)(210CCfMUUi則：當電源電壓確定后當電源電壓確定后, , 輸出電壓輸出電壓UoUo是電容是電容C1C1和和C2C2的函數(shù)的函數(shù) （3）脈沖寬度調制電路QBQD2D1 AR2R1FGC1C2A2A1uABUr雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A1A1、A2A2為比較器為比較器C C1 1、C C2 2為差動式電容傳感器為差動式電容傳感器電阻電阻R R

22、1 1=R=R2 2D D1 1、D D2 2為特性完全相同為特性完全相同的兩個二極管的兩個二極管當差動電容器的當差動電容器的C C1 1=C=C2 2時時, , 其平均電壓值為零。其平均電壓值為零。T T1 1、T T2 2CC1 1、C C2 2充放電至充放電至U Ur r所需時間所需時間U U1 1觸發(fā)器輸出的高電位觸發(fā)器輸出的高電位脈沖寬度調制電路工作原理n由于由于TR CUUUr11111lnTR CUUUr22211ln由電路知識可知由電路知識可知C C1 1、C C2 2的充電時間的充電時間12121UCCCCuAB21211)(TTTTUuuuBAAB將將T1T1、T2T2代入

23、代入上式上式 得得：3. 電容式傳感器的應用PPhmaxd0CACLCHC0PHPL（2）電容測厚儀 電容測厚儀用于測量金屬電容測厚儀用于測量金屬帶材在軋制過程中的厚度變化。帶材在軋制過程中的厚度變化。 帶材是電容的動極板，總電帶材是電容的動極板，總電容容C1+C2C1+C2作為橋臂。作為橋臂。 帶 材 只 是 上 下 波 動 時帶 材 只 是 上 下 波 動 時Cx=C1+C2Cx=C1+C2總的電容量不變；帶總的電容量不變；帶材的厚度變化使電容材的厚度變化使電容CxCx變化。變化。 CBRR0C1C2C1L2L（3）電容式料位計dDhkcsln)(0傳感器的靜電電容可由下式表示傳感器的靜電

24、電容可由下式表示: :式中式中: k: k比例常數(shù)比例常數(shù); ; s s被測物料的相對介電常被測物料的相對介電常數(shù)數(shù) ； 00空氣的相對介電常數(shù)空氣的相對介電常數(shù); D; D儲罐的內儲罐的內徑徑; d; d測定電極的直徑測定電極的直徑; h; h被測物料的高度。被測物料的高度。測定電極安裝在金屬儲罐的頂部，儲罐的測定電極安裝在金屬儲罐的頂部，儲罐的罐壁和測定電極之間形成了一個電容器。罐壁和測定電極之間形成了一個電容器。（4）電容式接近開關振蕩電路振蕩電路被測物體被測物體 感應電極感應電極被測電容被測電容測量頭構成電容器的一個極板，測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體另一個極

25、板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化生變化. .接近開關的檢測物體，接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。緣的液體或粉狀物體。2.1.4 壓電式傳感器n壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質的壓電效應為基礎，外力器，以電介質的壓電效應為基礎，外力作用下在電介質表面產生電荷，從而實作用下在電介質表面產生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量?，F(xiàn)非電量測量。

26、 n壓電式傳感器可以對各種壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力動態(tài)力、機械機械沖擊沖擊和和振動振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。力學、導航方面都得到廣泛的應用。壓電式傳感器應用概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計壓電加速度計壓電警號壓電警號1. 壓電式傳感器的工作原理 某些物質在沿一定方向受到壓力或拉力作用而某些物質在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時，其表面上會產生電荷，若將外力去掉發(fā)生改變時，其表面上會產生電荷，若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這

27、種現(xiàn)象就稱為為。 在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產生機械振動，即壓電片在電極壓，那么壓電片能產生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應，也叫致伸縮效應，也叫當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變壓電材料壓電材料壓電材料: :具有壓電效應的材料稱為具有壓電效應的材料稱為壓電材料壓電材料。壓電材料能實現(xiàn)機壓電材料能實現(xiàn)機電能量的相互轉換電能量的相互轉換, ,如圖所示：如圖所示：壓電材料分為壓電材料分為兩大

28、類兩大類: : 壓電晶體和壓電陶瓷壓電晶體和壓電陶瓷 。壓電元件壓電元件機械能電能（1）石英晶體壓 電 晶 片按特定方向切片按特定方向切片人工合成人工合成水晶水晶石英晶體是最常用的壓電晶體之一石英晶體是最常用的壓電晶體之一石英晶體的壓電效應n石英晶體石英晶體它理想的幾何形狀為正六面體晶柱，如圖它理想的幾何形狀為正六面體晶柱，如圖 在晶體學中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向在晶體學中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向軸軸Z Z稱為光軸稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的x x軸軸稱為電軸稱為電軸；與；與x x軸和軸和z z軸同時垂直的軸同時垂直的y y軸

29、稱為機械軸軸稱為機械軸。沿電軸沿電軸x x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效縱向壓電效應應”，把沿機械軸，把沿機械軸y y軸方向的力作用下產生電荷的壓電效應，稱為軸方向的力作用下產生電荷的壓電效應，稱為“橫向壓電效應橫向壓電效應”。而沿。而沿z z軸方向受力時不會產生壓電效應。軸方向受力時不會產生壓電效應。表面電荷與外力關系n壓電元件受力后壓電元件受力后, ,表面電荷與外力成正比關系表面電荷與外力成正比關系: : dFq d d為壓電系數(shù)為壓電系數(shù) 當在電軸當在電軸x x方向施加作用力時方向施加作用力時, , 在與電軸垂直的平面上將在與電軸垂直

30、的平面上將產生電荷產生電荷, , 其大小為：其大小為：xxFdq11d d1111xx方向受力的壓電系數(shù)方向受力的壓電系數(shù)q qx x垂直于垂直于x x軸平面上的電荷軸平面上的電荷F Fx x沿電軸沿電軸x x方向施加的作用力方向施加的作用力表面電荷與外力關系n若在同一切片上若在同一切片上, , 沿機械軸沿機械軸y y方向施加作用力方向施加作用力Fy, Fy, 則仍在與則仍在與x x軸垂直的平面上產生電荷軸垂直的平面上產生電荷q qy y, , 其大小為：其大小為：yyFbadq12d d1212yy軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸的對稱條軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體軸的對稱條 件件

31、d d1212= -= -d d1111a,b-a,b-晶體切片的長度與厚度晶體切片的長度與厚度電荷電荷q q x x、 q qy y的符號由晶體受壓還是受拉而決定的符號由晶體受壓還是受拉而決定當石英晶體沿當石英晶體沿z z軸方向被壓縮或被拉伸時，晶體沿軸方向被壓縮或被拉伸時，晶體沿x x方向和方向和y y方向產生同樣的變形，因此沿方向產生同樣的變形，因此沿z z軸方向施加作用力時，石軸方向施加作用力時，石英晶體不會產生壓電效應，即英晶體不會產生壓電效應，即d d1313=0=0。石英晶體壓電模型石英晶體的壓電效應示意圖石英晶體的壓電效應示意圖（2）壓電陶瓷n壓電陶瓷與石英晶體不同，它是人工制

32、壓電陶瓷與石英晶體不同，它是人工制造的造的多晶體多晶體壓電材料。壓電材料。n壓電陶瓷在未進行極化處理時，不具有壓電陶瓷在未進行極化處理時，不具有壓電效應；經(jīng)過極化處理后，它的壓電壓電效應；經(jīng)過極化處理后，它的壓電效應非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，效應非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，為石英晶體的幾百倍。為石英晶體的幾百倍。電疇結構 電疇實質上是自發(fā)形成的小區(qū)域，每個小區(qū)域有一定電疇實質上是自發(fā)形成的小區(qū)域，每個小區(qū)域有一定的極化方向，從而存在著一定的電場，但由于電疇分布雜的極化方向，從而存在著一定的電場，但由于電疇分布雜亂無章，如圖所示。因此在沒有外加電場的情況下，它們亂無章，如圖所示。因此在沒有

33、外加電場的情況下，它們的極化作用被相互低消了。的極化作用被相互低消了。 上述情況下，壓電陶瓷不會產生壓電效應。上述情況下，壓電陶瓷不會產生壓電效應。 壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結構類似的電疇壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結構類似的電疇結構，如圖所示。結構，如圖所示。壓電陶瓷極化處理外電場去掉外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強度很大。后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時是非壓電體。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時是非壓電體。施加外電場施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向外電場方向排時，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向外電場

34、方向排列。外電場強度達到飽和程度時，所有的電疇與外電場一致。列。外電場強度達到飽和程度時，所有的電疇與外電場一致。壓電陶瓷極化n壓電陶瓷的極化強度不恢復為零，而是存在著很強的剩余極壓電陶瓷的極化強度不恢復為零，而是存在著很強的剩余極化強度。此時，在與極化方向垂直的兩端面將會出現(xiàn)束縛電化強度。此時，在與極化方向垂直的兩端面將會出現(xiàn)束縛電荷，一端面為正，另一端面為負，如圖所示。荷，一端面為正，另一端面為負，如圖所示。束縛電荷自由電荷電極由于束縛電荷的作用，在束縛由于束縛電荷的作用，在束縛電荷附近很快吸附一層來自周電荷附近很快吸附一層來自周圍外界的自由電荷，且束縛電圍外界的自由電荷，且束縛電荷與自由

35、電荷多少相等，極性荷與自由電荷多少相等，極性相反，因此相反，因此壓電陶瓷對外不呈壓電陶瓷對外不呈現(xiàn)極性現(xiàn)極性。壓電陶瓷的極化過程壓電陶瓷的電荷Fdq33（3）壓電式傳感器n壓電傳感器可以看作是一個電荷發(fā)生器，也可以看壓電傳感器可以看作是一個電荷發(fā)生器，也可以看成是一個電容器。成是一個電容器。2. 壓電式傳感器的等效電路和測量電路（1）壓電式傳感器的等效電路）壓電式傳感器的等效電路 當壓電元件受到外力作用時，就會在受力縱向當壓電元件受到外力作用時，就會在受力縱向或橫向表面上出現(xiàn)電荷，在一個極板上聚集正電荷，或橫向表面上出現(xiàn)電荷，在一個極板上聚集正電荷，而在另一個極板上聚集等量的負電荷。因此壓電傳

36、而在另一個極板上聚集等量的負電荷。因此壓電傳感器可以看作是一個感器可以看作是一個電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器，也是一個，也是一個電容器電容器。 若已知壓電片面積為若已知壓電片面積為A A，壓電片厚度，壓電片厚度d d，壓電材，壓電材料的相對介電常數(shù)料的相對介電常數(shù)r r ，則其電容值為，則其電容值為: : Ca=dAr0壓電元件的等效電路n壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。 如圖（如圖（b b）所示，電容器上的電壓）所示，電容器上的電壓UaUa、電荷量、電荷量q q和電和電容量容量CaCa三者關系為三者關系為aaCqU (b)電壓源電壓源(a)

37、電荷源電荷源壓電傳感器的實際等效電路n壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接, , 因此還須考慮因此還須考慮連接電纜的等效電容連接電纜的等效電容C Cc c, , 放大器的輸入電放大器的輸入電R Ri i, , 輸入電容輸入電容C Ci i以及以及壓電傳感器的泄漏電阻壓電傳感器的泄漏電阻R Ra a, , 這樣壓電傳感器這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路在測量系統(tǒng)中的實際等效電路, , 如圖所示如圖所示: :（2）壓電式傳感器的測量電路n壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器前置放大器，其，其作用作用為：為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗； 二是放大傳感器輸出的微弱信號。二是放大傳感器輸出的微弱信號。 壓電傳感器的輸出可