第11章 压电传感器 电子信息及电气工程系.

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1 第11章 压电传感器 电子信息及电气工程系

2 11-1 压电传感器的工作原理 一、压电效应 1、正压电效应：
压电传感器的工作原理 一、压电效应 1、正压电效应： 沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时，内部产生极化现象，两个表面产生符号相反的电荷，去掉外力后复原。 2、逆压电效应： 在介质的极化方向施加（交变）电场，它会产生机械变形，取掉外加电场后变形消失。

3 3、压电效应是可逆的。 以压电效应为基础制作的传感器，又称为发电式传感器、双向传感器、有源传感器。 二、石英晶体的压电特性 1、结构：单晶体，六角形晶柱 Z轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应； X轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴 电轴（纵向压电效应） Y轴：2，垂直于X、Z轴，机械轴（横向压 电效应）

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5 2、计算 dmn m—产生电荷的面的轴向 n—施加作用力的轴向 1）压电晶体切片在X方向受压缩力σx作用，产生厚度变形： 极化强度Px = d11 σx = d11 Fx/lb = qx / lb 则： qx = d11 Fx 与尺寸无关。 2）沿y方向施加力Fy ，产生长度变形： 极化强度Py = d12 σy = d11 Fy/hb = qx / lb 则： qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 与尺寸相关 Sx = lb Sy = hb 由于：d11 = -d12 （各向异性） 则： qx = -d11 Fy l/ h

6 3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。 4）无体积变形，无极化。 3、分析 偶极距： p = ql ； 矢量方向：从负指向正 无压力时： p = p1 + p2 + p3 = 0 正负电荷中心重合 施加Fy ： Py = (p1 + p2 + p3 ) < 0 , Px = 0, Pz = 上负下正 施加Fx ： Px = (p1 + p2 + p3 ) > 0 , Py = 0, Pz = 上正下负

7 施加 Fz ： P = 0 施加 Fx， Fy， Fz ： P = 0 结论： qx只与Fx ， Fy的大小和方向有关，但 剪切力、扭力会引起形变。 各向异性

8 4、石英晶体（天然晶体SiO2 ）的特点 稳定，在居里点（575 0C）内其压电系数（ d11 =2.31×10-12 C/N ）不随温度而变； 很大的机械强度和稳定的机械性质； 但压电系数比其它材料要低得多。

9 三、压电陶瓷（人造多晶体） 1、极化： 在100～170 0C和外电场（ 1～4kv/mm）的作用下，电畴的极化方向趋于按外电场排列，从而使材料得到极化。极化后，其内部存在很强的剩余极化，当其受到外力作用时，电畴的界限发生移动，因此引起极化强度的变化，产生了压电效应

10 2、计算： q = d33F =- d32F Sx/ Sy =- d31F Sx/ Sy 平 面 各 向 同 性

11 3、压电陶瓷的特点： 较之石英晶体有很高的灵敏度； 稳定性和机械强度不如石英晶体。 四、压电元件的联接及结构形式 1、联接 串联：q` = q, u` = 2u, c` = c/2 宜电压输出，C小，测快速信号； 并联：q` = 2q, u` = u, c` = 2c 宜电荷输出，C大，测慢速信号。

12 11-2 压电传感器的等效电路 2、加预应力：保证在作用力变化时，压电 片始终受力。 3、压电陶瓷的时间常数随使用时间的增长而
变小，需每半年校正一次，石英晶体稳定 压电传感器的等效电路 压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。因此可有两种等效电路： 1、电荷源：内部的电荷发生器对C充电； 2、电压源：产生的电荷形成电压源，对外供 电时需通过对等效电容充放电进 行。

13 Ua = q/Ca q = Ua Ca 输入 输入 内漏 内漏 电缆 电缆

14 11-3 测量电路 一、测量特点： 1、对象：力及力的派生物理量（压力、位移、 加速度等）。 2、动态测量：压电材料上产生的电荷只有在无
测量电路 一、测量特点： 1、对象：力及力的派生物理量（压力、位移、 加速度等）。 2、动态测量：压电材料上产生的电荷只有在无 泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做动态测量。 3、高阻前置放大器：减少晶片的漏电流以减少测量误差。

15 R=Ra Ri /（Ra + Ri ）， C = Cc + Ci
二、电压放大器（阻抗变换器） R=Ra Ri /（Ra + Ri ）， C = Cc + Ci f = Fm sinωt， q = d f ， Ua = q/Ca = d f / Ca 令 则 内漏 输入 电缆

16 特点： 当ω=0时， Uim =0，电荷通过Ra、 Ri泄漏掉，故不能测静态力，低频特性差； 当ω /ω0>3时， Uim 随频率变化不大， 当ω /ω0>>3时， Uim 与频率变化无关，故高频特性好； U0与 Cc相关，不好。 线路简单，线性度及稳定度好。 三、电荷放大器 设： Ai →∞ ， C = Cc + Ci + Ca Ri →∞， Ra →∞， Zi →∞

17 Ui =[q-（ Ui –U0 ）Cf ]/C =[q-（ 1 –A ）Ui Cf ]/C ， q-（ 1 –A ） Ui Cf = C Ui， q=[C +（ 1 –A ） Cf ] Ui
Ui = q/[C +（ 1 –A ） Cf ] = q/[C – （ A – 1 ） Cf ] U0 = – qA/[Cc + Ci + Ca – （ A – 1 ） Cf ]= – UiA 由于：A >> 1， Cf A >> C 故： C = Cc + Ci + Ca

18 特点： U0只与 Cf 及q相关，与Cc变化不无关，应用广泛。 低频截止频率比电压放大器降低A倍，可测0.3HZ。但对的精度、温度和时间稳定性要求高。 价格高，线路复杂，调整困难。

19 电压放大器 阻抗变换器

20 一、正压电效应 11-4 应用 1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等；
应用 一、正压电效应 1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等； 差动式加速度传感器 弯曲型压电加速度计

21 2、作为压电电源，可作为煤气炉或汽车的自动点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；
三向力传感器YDS-III79B

22 二、逆压电效应 超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）等。 三、正、逆压电效应 压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等。 四、生物压电学 生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传感器。 正压电效应——治疗骨折 逆压电效应——对骨头通电具有矫正畸形等功能。

23 压电传感器的特点： 体积小，简单，可靠，灵敏，固有频率高，应用广泛，但不能测频率太低的被测量，特别是静态力。 作 业 1、什麽是正、逆压电效应？ 2、采用电荷放大器和电压放大器各有什么的特点？ 3、与金属应变传感器相比较，压电传感 器有何优点与缺点？