压电式传感器

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1、压电式传感器论文班级：10233姓名：周经纬学号：1023324专业:机电一体化压电式传感器一、压电效应某些电介质在沿一定方向上收到外力的作用而形变时，内部会产生 极化现象，同时在其表面上产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不 带点的状态，这种现象称为压电效应。在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与 所施加的力F成正比，即式中Q=dFx式中d一压电场数。正压电效应（顺压电效应）：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，同时在它的一定表面上产生 电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向 改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致

2、伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场， 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤 去时，这些变形或应力也随之消失的现象。自然界中与压电效应有关的现象很多。例如在敦煌的鸣沙丘，当许 多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆 声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子在重压弓I起振动，表面产 生电荷，在某时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空 气放电而发出声音。在电子打火机中，雅典材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。二、压电材料压电式传感器中的压电元件一般有三类：一类是压电晶体（单晶 体）；另一类的hi经过极化处理的压电陶瓷（多

3、晶体）；第三类是高 分子压电材料。（一）石英晶体石英晶体是一种良好的压电晶体，它的优点是性能非常稳定。它具 有自振频率高、动态响应好机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复 性好、线性范围宽等优点。石英晶体不足之处就是压电常数小。因此 石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感 器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体点材料，它由无数细微的电畴组成。 这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个 电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被互相抵消了，因此原始的 电压陶瓷呈中性，不具有电压性质。为了使压电陶瓷具有压电效

4、应， 必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有 很强的剩余极化度，当压电陶瓷受外力作用时。表面也能产生电荷， 所以压电陶瓷也具有压电效应。它比石英晶体的压电系数高得多。而 制造成本却很低，因此目前国内外生产的压电元件大多数都采用压电 陶瓷。（三）对压电材料特性要求： 转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚 度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分 布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的 居里点，获得较宽的工作温度范围。

5、时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。三、压电式传感器的测量转换电路（一）等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的 两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中 间为绝缘体的电容器，如图(b)。电极q压电晶体(a)(b)压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，就产生电荷，因此他 相当于一个电荷发生器，当电压元件表面聚集电荷时，它又相当于一 个以压电材料为介质的电容器，两极板间的电容为S _ 8rQS8 6S 压电元件电极面面积；S压电元件厚度；压电材料的相对介电常数;%真空的介电常数。当压电晶

6、体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电 量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的 电荷发生器。(a)当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联 电路，如图。实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的 等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响 就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电 传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路（a）和电 荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。注意：利用压电式传感器测量静态或准静态量值

7、时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。（二）测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。1、电荷放大器压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检 测出来。根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是 电信号也可以是电压信号，因此与之相配的前置放大器有电压前

8、置放 大器和电荷放大器两种形式。因此电压传感器的内阻抗极高，因此它需要与高输入阻抗的前置放 大器配合。如果使用电压放大器输入电压会导致电压放大器的输入电 压与屏蔽电缆的分布电容有关，它们均是变数，会影响到测量结果， 故目前多采用性能稳定的电荷放大器。电荷放大器等效电路在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。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器 输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。qu r u 二一f式中:uo放大器输出电压；ucf反馈电容两端电压。可见，电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf， 与电缆电容Cc无关，且与q成正

9、比，这是电荷放大器的最大特点。为 了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很 好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选 择的，范围一般为100104pF压电传感器的特点：能量转换型（发电型）传感器。体积小，重量轻，刚性好，可提高其固有频体积小。灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向电压效应的传感器，电荷 量与晶体的变形无关，灵敏度与传感器有关。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。应有：压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、 振动加速度等。四、压电式传感器的应用压电传感器主要用于脉动力、冲击力、振动等动态参数的测量。由 于压电材料可以是石英晶

10、体、压电陶瓷和高分子压电材料等，它们的 特性不尽相同，所以用途也不一样。石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷 灵敏度较高，机械强度稍低，多作用测力和振动传感器；而高分子压 电材料多作用定性测量。（一）压电式测力传感器图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝 缘套、电极、上盖及基座等组成。图6-11压力式单向测力传感器结构图传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0105mm，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dll实现力一电转换。（二）压电式加速度传感器图6-12压电式加速度传感器结构图

11、图6-12是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，并由 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，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：F质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感 器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为q=d11F=d11ma与加速度a成正比。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）压电式玻璃破碎报警器BS-D2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

12、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。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520 kQ。图6-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感 (a)外形；(b)内部电路报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃 上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号 经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰 减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声 波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出 信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。