第七章　压电式传感器.

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1 　　第七章　压电式传感器

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3 压电效应及压电材料 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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。 压电材料受力变形，在表面产生电荷——正压电效应 压电材料通电压，材料变形——逆压电效应 压电材料 压电晶体 压电陶瓷

4 压电材料的主要特性参数 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。
压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 

5 压电转换 压电关系表达式： ：压电常数 更一般表达式：电荷密度 ，（用单位面积受力表示） 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷
压电关系表达式： 　　　　：压电常数 更一般表达式：电荷密度　　　 ，（用单位面积受力表示） 其中：i＝1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向 如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷 受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式： 受z向力作用后在z方向产生电荷的表达式：

6 石英晶体的压电机理分析 石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。 定义： x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。
y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。 z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。

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8 当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷. 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。  如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 

9 压电陶瓷 压电晶体与压电陶瓷的比较： 相同点：都是具有压电效应的压电材料。 不同点：
　　石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。 　　极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。

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11 压电式传感器的等效电路 压电式传感器是有源器件；聚集正负电荷的两表面够成电容。
实际使用时还要考虑连接电缆的等效电容，后续电路中放大器的输入电阻，输入电容以及压电传感器的泄漏电阻。

12 压电式传感器的测量电路 压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。 接入高输入阻抗前置放大器的作用：把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。
压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。 电压放大器 电荷放大器

13 电压放大器 当　　　　时，　　　　　　　　　与电缆电容有关 当　　　　时，

14 电荷放大器 运算放大器输入阻抗很高，故可近似 ， ，并将反馈电容折算到输入端
运算放大器输入阻抗很高，故可近似　　　，　　　，并将反馈电容折算到输入端 Uo Ra Ri Ui Cf Cc Ci Ca q 输出电压与电缆电容Cc无关，且ω的影响不明显（由于作了简化假设，表达式上是无关的） 与q成正比 这些优点使得压电传感器基本上都用电荷放大器作为转换电路。

15 压电式传感器的应用 压电式测力传感器

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21 压电式加速度传感器

22 压电式金属加工切削力测量

23 压电式玻璃破碎报警器