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1、第五章 压电式传感器,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应, 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小, 重量轻, 工作频带宽等特点, 因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 首先来看几个利用压电式传感器进行测量的例子。,压电传感器,加速度计实物,力传感器,5.1 压电效应及压电材料,某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其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, 其又重新恢复到不带电状态，这种现
2、象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。,Q=dT 其中 Q-束缚电荷 d-压电常数 T-外应力张量,相反, 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。其应变S与外电场强度E成正比： S=dtE 式中 dt逆压电常数。 具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机-电能量的相互转换, 如图所示。,在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅
3、等材料是性能优良的压电材料。 压电材料主要有两大类: 压电晶体和压电陶瓷。其主要特性参数有: ,（1） 压电常数：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。 d=Q/T （2） 弹性常数：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。, （3） 介电常数：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。 （4） 机械耦合系数：在压电效应中, 其值等于转换输出能量（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。 （5） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少
4、电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。,选用压电材料应考虑以下几方面的问题。, 转换特性：较大的压电系数，以使压电传感器具有较高的灵敏度。, 机械特性：较高的强度与刚度，以获得较宽的线性范围和较高的固有频率。, 电气特性：较高的电阻率和较大的介电常数，以削弱外部引线分布电容的影响。, 温度特性：较高的居里点（压电材料是否具有压电效应的相应温度点），以获得较宽的温度范围。,5.2 压电式传感器测量电路,一、 压电材料的等效电路 由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时, 它也是一个电容器, 晶体上聚集正负
5、电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为 式中: A压电片的面积; t压电片的厚度; r压电材料的相对介电常数。,因此, 压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。 如图（a）所示, 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 压电传感器也可以等效为一个电荷源。 如图（b）所示。,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接, 因此还须考虑连接电缆的分布电容Cc, 放大器的输入电阻Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra, 这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路, 如图所示。,二、 压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗
6、很高, 而输出能量较小, 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。 1. 电压放大器（阻抗变换器） 图（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。 ,在图（b）中, 电阻R = RaRi/(Ra+Ri), 电容C = Ca+Cc+Ci, 而 ua = q/Ca, 若压电元件受正弦力f = Fmsint的作用, 则其电压为,式中: Um压电元件输出电压幅值，Um = dFm/ Ca; d
7、压电系数。 由此可得放大器输入端电压Ui ，其复数形式为,的幅值为,输入电压和作用力之间相位差为,在理想情况下, 传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大, 即（Ca +Cc+Ci）R无限大, 那么由式可知, 理想情况下输入电压幅值Uim为,上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为/03时, 就可以认为Uim与无关, 0表示测量电路时间常数之倒数, 即0=1/R（Ca + Cc + Ci）。,这表明压电传感器有很好的高频响应, 但是, 当作用于压电元件力为静态力（=0）时, 则前置放大器的输入电压等于零, 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉, 所以压电传
8、感器不能用于静态力测量。 当R（Ca+ Cc+Ci）和1相比拟时, 放大器输入电压Uim表达式中Cc为连接电缆电容, 当电缆长度改变时, Cc也将改变, 因而Uim也随之变化。因此, 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换, 否则将引入测量误差。 2. 电荷放大器 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路, 由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成, 当略去Ra和Ri并联电阻后, 电荷放大器可用图示等效电路表示。,由此可见, 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关, 且与q成正比, 这是电荷放大器的最大特点。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是
9、电荷放大器的突出优点。,5.3 压电式传感器的应用,一种普遍的制作工艺是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。,一、 压电式测力传感器 下图为压电式单向测力传感器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 ,传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.10.5mm, 当外力作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型, 利用其纵向压电效应, 通过d11实现力电转换。 石英晶片的尺寸为81 mm。该传感器的测力范围为0 50 N, 最小分辨率为0.01, 固有频率为50 60 kHz, 整个传感器重10g。,2U=Q/（1
10、/2）C,2Q=U2C,为提高传感器的灵敏度，适应不同的测量电路，可将压电材料串、并联使用。,二、 压电式加速度传感器 图为一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。 ,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质量块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力与加速度a成正比。则传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma 因此, 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,三、 压电式金属加工切削力测量 图为利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适
11、合测量变化剧烈的载荷。图中压电 传感器位于车刀 前部的下方, 当进 行切削加工时, 切削力通过刀具 传给压电传感器, 压电传感器将切 削力转换为电信 号输出, 记录下电 信号的变化便测 得切削力的变化。,四、 压电式玻璃破碎报警器 BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器, 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出 输出电压经放大、 滤波、 比较等处理后提供给 报警系统。 BSD2压电式玻 璃破碎传感器的外形 及内部电路如图所示。 传感器的最小输出电 压为 100 mV, 最大输 出电压为 100 V, 内阻 抗为 1520 k。,五、其他应用,集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。,