一、压电传感器的工作原理-压电式传感器是一种自发课件.ppt

1、2023-4-251 压电式传感器是一种自发电式传感器。它压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响压电式传感器具有体积小、质

2、量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。因此结构坚固、可靠性、稳定性高。2023-4-252 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷电荷Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比，这种现象称为，这种现象称为压电效应压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效。还有一些人造的材料也具有压电效应。应。若在电介质的极化方向上施

3、加交变电压，若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。应（电致伸缩效应）。2023-4-253 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。2023-4-254压电传感器中的压电元件材料有许多：压电传感器中的压

4、电元件材料有许多：主要有压主要有压电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料，另外还有水溶电晶体、压电陶瓷和高分子压电材料，另外还有水溶性和铌酸锂压电晶体及压电半导体。性和铌酸锂压电晶体及压电半导体。1、石英晶体、石英晶体2023-4-2552023-4-256石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装2023-4-257 石英晶体在振荡电路石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。产生稳定的振荡输出频率。晶振晶振2023-4-258 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，

5、它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷）及非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。2023-4-259 2023-4-2510 2023-4-2511 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚氯乙烯（氯乙烯（PVC）等。

6、它是一种柔软的压电材料，可）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达动态范围可达80dB。2023-4-25122023-4-2513 2023-4-2514 2023-4-2515 2023-4-2516压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提高输出电压，并联可提高输出电荷。高输出电

7、压，并联可提高输出电荷。2023-4-2517二、测量电路二、测量电路1、传感器等效电路、传感器等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为 式中，式中，0 0为真空介电常数：为真空介电常数：为压电材料的相对介电为压电材料的相对介电常数；常数；h h为压电元件的厚度；为压电元件的厚度；A A为压电元件极板面积。为压电元件极板面积。hACa02023-4-2518 因此

8、可以把压电式传感器等效成一个与电容相并因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为所示，也可以等效为个电压个电压源，如下图源，如下图b所示。所示。压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电容C，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻Ri和输入电容和输入电容Ci以及传感以及传感器的泄漏电阻器的泄漏电阻Ra。QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Caa)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 2023-4-25192、基本测量电路、基本测量电路 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，压电传感器的内

9、阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。行放大。2023-4-2520（1 1）电压放大器电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图压电传感器接电压放大器的

10、等效电路如下图a a所示。所示。图图b b是简化后的等效电路，其中，是简化后的等效电路，其中，u ui i为放大器输入电压；为放大器输入电压；C C=C CC C+C Ci i；u ua a=Q Q/C Ca a。如果压电传感器受力为如果压电传感器受力为:F F=F Fm msinsint t ；则在压电元件上则在压电元件上产生的电压为产生的电压为 iaiaRRRRRtCdFuamisinuaCaCcCiRaRiR1R2+-uaCaCRui a)b)a)b)2023-4-2521而在放大器输入端形成的电压为而在放大器输入端形成的电压为 当当1时，放大器的输入电压为时，放大器的输入电压为 dFC

11、CRjRjuCjRCjRCjCjRCjRuaaai)(111111FCCCduacii2023-4-2522（2 2）电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的前置放大器。下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中等效电路。图中C C为放大器的反馈电容，其余符号的为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。意义与电压放大器相同。QCaCcCiRaRiCfRfN2023-4-2523如果忽略电阻如果忽略电阻Ra、Ri及及Rf的影响，则输入到放大器的影响，则输入到放大器的

12、电荷量为：的电荷量为：Qi=Q-Qf 式中，式中，A为开环放大系数。所以有为开环放大系数。所以有 fffifCAUACUAUCUUQ0000)1()()()()(0aciaciiiCCCAUCCCUQffaciCAUAQCAUAQCCCAU000)1()1()(2023-4-2524故放大器的输出电压为故放大器的输出电压为当当A1，而，而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示时，放大器输出电压可以表示为为faciCACCCAQU)1(0fCQU02023-4-2525 .2023-4-2526 灵灵 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 频率范围：频率范围：0.3100KHz 噪声噪声(最

13、大增益最大增益)：折合至输入端小于：折合至输入端小于5V 准准 确确 度：度：1%最大输出：最大输出：10V/10mA 电电 源：源：220V/50Hz 控制方式：控制方式：计算机或手动计算机或手动2023-4-2527 主要指标主要指标:灵灵 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围：频率范围：0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV 归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整 线性误差：线性误差：1%最大输出：最大输出：5V或或10V 电电 源：源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统