第7章 壓電式傳感器

1、第六章壓電式傳感器壓電效應(yīng)及壓電材料n壓電效應(yīng)n某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。n壓電材料受力變形，在表面產(chǎn)生電荷正壓電效應(yīng) n壓電材料通電壓，材料變形逆壓電效應(yīng) n壓電材料n壓電晶體n壓電陶瓷壓電材料的主要特性參數(shù)n壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù), 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。n壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。n對于一定形狀、 尺寸的壓電元件, 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān); 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。n在壓電效應(yīng)中,機(jī)械耦合系數(shù)

2、等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 n壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏, 從而改善壓電傳感器的低頻特性。n壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)溫度。 壓電轉(zhuǎn)換n壓電關(guān)系表達(dá)式： ：壓電常數(shù) 更一般表達(dá)式：電荷密度 ，（用單位面積受力表示） 其中：i1,2,3表示晶體極化方向，指的是與產(chǎn)生電荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，13表示x,y.z向受力，46表示剪切力方向n如q1表示法向矢量為x的兩個(gè)面產(chǎn)生的電荷 受x向（拉）力作用后在z方向產(chǎn)生電荷的表達(dá)式： 受z向力作用后在z方向產(chǎn)生電荷的

3、表達(dá)式：FdQdjijidq1313dq 3333dq 石英晶體的壓電機(jī)理分析n石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。 n定義：nx：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。 ny ：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。nz ：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。 當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí), 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為 qx = d11 Fx 式中: d11x方向受力的壓電系數(shù); Fx作用力若在同一切片上, 沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為 qy=d12fya/b 式中: d12y軸方向受力的

4、壓電系數(shù), d12=-d11; a、 b晶體切片長度和厚度。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。 當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí), 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)電荷重心不再重合,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷.當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),在x軸上出現(xiàn)電荷, 它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。 如果沿z軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同, 所以

5、正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電陶瓷壓電晶體與壓電陶瓷的比較：壓電晶體與壓電陶瓷的比較：相同點(diǎn)：都是具有壓電效應(yīng)的壓電材料。不同點(diǎn)：石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷，當(dāng)受外力變形后，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。 Fdq33壓電式傳感器的等效電路n壓電式傳感器是有源器件；聚集正負(fù)電荷的兩表面夠成電容。acQU 實(shí)際使用時(shí)還要考慮連接電纜的等效電容，后續(xù)電路中放大器的輸入電阻，輸入電容以

6、及壓電傳感器的泄漏電阻。壓電式傳感器的測量電路n壓電式傳感器的特點(diǎn)：高阻抗，低能量。n接入高輸入阻抗前置放大器的作用：把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。n壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。n電壓放大器n電荷放大器電壓放大器acQU dFQ aCdFUaCFdUaiCjcjRcjRUU111)(1accRjRjFdRccctgCCRRdFUicaamim)(2)(1)(1222）（相頻：幅頻：當(dāng)時(shí)，與電纜電容有關(guān)icamimCCCdFU)(當(dāng)時(shí)，00)0(imU電荷放大器n運(yùn)算放大器輸入阻抗很高，故可近似，并將反饋電容折算到輸入端 UoRaRiUiCfCcCiCaqaRiRFicaioCACCCqAUAU)1 ( FCqn輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，且的影響不明顯（由于