传感器原理及应用 第五章

压电式传感器是利用压电效应把受力的变化转换成电压或电流的变化信号。对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是压电效应。分类天然物质：石英晶体—压电效应弱，但稳定，可用作标准的加速度计人工制造：压电陶瓷—压电效应强，但稳定性差，用作工作时的加速度计结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，我们用直角坐标三个轴来表示：纵轴线z光轴穿过棱线且z轴的x轴电轴棱面的y轴力轴（机械轴）1)沿电轴x方向施力，在x轴表面产生电荷纵向压电效应沿力轴y方向施力，也在x轴表面产生电荷横向压电效应沿光轴z方向施力，表面不产生电荷；2)若改变受力方向，表面极性也相应改变；3)分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。石英晶体的分子式为SiO2，Si4+，O2-，一个晶胞有三个硅离子和六个氧离子，氧粒子是成对出现的，电荷互相平衡，外部没有带电。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱无章的分布，他们的极化效应相互抵消，呈中性，极化强度为零。在外电场作用下，电畴的极化方向发生转动，转到与外电场一致方向排列，从而使材料得到极化。当外电场消除后，有剩余极化，它有较强的矫顽力，虽不规则，但仍有向极化方向排列的趋势，极化强度不再为零。当外界加力时，电畴界限移动，使极化强度增加，又基本恢复到外电场作用下的状态使材料表面带了电荷。极化一般在高电压14KV/mm，经过几个小时才能完成。压电式传感器实质上是一个电容器SCr0r晶片相对介电常数0真空介电常数S工作面面积晶片厚度和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。内部一个电荷源Q和一个电容器C并联电荷等效电路一个电压源U=Q/C和一个电容器C串联电压等效电路双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式：1）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。U’=UQ’=2Q则C’=2C2）串联：用于电压作为输出量场合。U’=2UQ’=Q则C’=（1/2）C这种联接，输出电荷大，本身电容大，允许被测对象变化频率稍低。这种联接，输出电压大，本身电容小，要求后续电路有较大的输入阻抗。阻抗变换作用：高阻抗低阻抗放大传感器输出的微弱信号电压放大器—高内阻的电压源转换成低内阻的电压源(阻抗变换器)输出电压输入电压电荷放大器—高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源输出电压输入电荷前置放大器的作用前置放大器压电传感器一般仪器前置放大器输出阻抗很高输出阻抗适当降低可近似看作输出电压与作用力频率无关优点：高频响应相当好缺点：与电缆电容有关xSCUCiCcCaRRCaU2)]([1)(1CiCcCaRxSCUCiCcCaCaUfKRC1ffSCCQUxCCaU一般Cf做成可调的，当(1+K)Cf(Ca+Cc+Ci)约10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。优点：与电缆电容无关缺点：电路复杂，价格昂贵1、压电式加速度传感器2、压电式单向测力传感器3、压电式压力传感器原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量力压电效应物性型转换型电荷