傳感器及檢測(cè)技術(shù)（第四版）課件 6.壓電式傳感器

……………壓電式傳感器傳感器技術(shù)與應(yīng)用武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院

熊曉倩課程內(nèi)容CONTENTS壓電式傳感器結(jié)構(gòu)03壓電效應(yīng)01應(yīng)用舉例05壓電材料02應(yīng)用電路04一、壓電效應(yīng)

某些晶體或有機(jī)薄膜，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部極化，某兩個(gè)面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也改變，晶體受力所產(chǎn)生的電量與外力的大小成正比，即：

上述現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。

反之，如對(duì)晶體施加一交變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生變形，此稱電致伸縮現(xiàn)象，也稱逆壓電效應(yīng)。二、應(yīng)變效應(yīng)—工作原理力電量形變二、應(yīng)變效應(yīng)—工作原理

（a）材料受壓（b）材料受拉（c）材料受壓

（d）材料受拉作用力的方向不同，產(chǎn)生電荷的方向也不同；力的作用面不同，產(chǎn)生的電荷方向也不同；a，b中產(chǎn)生的電荷比c，d中產(chǎn)生的多（各向異性）。二、壓電材料1.石英晶體

分人工石英和天然石英。它們是單晶中使用頻率最高的一種傳感器。其特點(diǎn)是介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，如下圖所示。適用的工作溫度范圍寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度大，彈性系數(shù)高，穩(wěn)定性好。（a）壓電常數(shù)與溫度的關(guān)系

（b）介電常數(shù)與溫度的關(guān)系（ａ）天然石英晶體

（b）石英晶體薄片二、壓電材料2.壓電陶瓷

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。

電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。

在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，經(jīng)過人工極化后，保留很強(qiáng)的剩余極化的情況下才能作為壓電材料使用。（c）壓電陶瓷二、壓電材料3.有機(jī)高分子薄膜

有機(jī)壓電薄膜隨著科技的進(jìn)步發(fā)展也較快。它既具有高分子材料的柔軟性又具有壓電陶瓷的特性，可以做成較大面積，主要用于微壓測(cè)量和機(jī)器人的觸覺。（d）高分子壓電薄膜三、壓電傳感器的結(jié)構(gòu)

壓電傳感器是一種有源傳感器，同時(shí)又是一個(gè)電容器，其結(jié)構(gòu)如圖

實(shí)際應(yīng)用中常將兩個(gè)以上晶片進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，就如同將兩個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)一樣。

串聯(lián)輸出的電壓高，自身電容小；并聯(lián)輸出電荷量大，電容量大。四、應(yīng)用電路

由于壓電傳感器產(chǎn)生的電量非常小，且內(nèi)阻極高，就要求測(cè)量電路的輸入電阻盡量大，這樣才能減小測(cè)量誤差，因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。（a）電荷源等效電路

（b）電壓源等效電路

前置放大器有兩個(gè)作用：第一是將壓電傳感器的輸出信號(hào)放大；第二是將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。壓電式傳感器電荷放大電路（a）等效電路

（b）簡(jiǎn)化電路五、應(yīng)用舉例1、加速度傳感器

壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。

主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成，整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定。五、應(yīng)用舉例

當(dāng)壓電式加速度傳感器和被測(cè)物體一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力F是加速度a的函數(shù)，即F=ma五、應(yīng)用舉例

慣性力F作用于壓電元件上而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，質(zhì)量塊的質(zhì)量m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷q為q=d11F=d11ma五、應(yīng)用舉例2.壓電式傳感器再測(cè)漏中的應(yīng)用

如果地面下一均勻的自來水直管道某點(diǎn)O漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用的