2.2.1 压电式传感器测量力（压电效应）（课件）-《传感器检测技术》同步教学（人民邮电版）

● 项目——力的测量 ● 任务——大气压力检测 1 大气压力检测 ► 任务导入 大气压力如何检测？ ► 压电式传感器 大气压力检测 ● 压电式传感器：一种典型的自发电式传感器，它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。可以测量最终能变换为力的各种非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 ● 优点：体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高 大气压力检测 ► 压电效应 ● 正压电效应：某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。 ● 逆压电效应：在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“逆压电效应”，也叫做“电致伸缩效应”。 利用压电效应的可逆性，可以实现机——电能量的相互转换 大气压力检测 ► 压电效应 ● 力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，外力去掉后，电荷消失。 大气压力检测 ► 石英晶体的压电效应 (b) 切割方向 (a) 晶体外形 (c) 晶片 ● x 轴：电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴。 ● y 轴：机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 ● z 轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致。 大气压力检测 ► 石英晶体的压电效应——石英晶体的纵、横向压电效应 ● 当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。 ● 沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。 ● 当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。 大气压力检测 ► 石英晶体的压电效应——石英晶体的纵、横向压电效应 ● 当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷 ● 当沿机械轴方向加作用力Fy时，则仍在与电轴垂直的平面上产生电荷 压电系数（C/N） √ 产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸有关。 √ 产生的电荷与作用力的大小成正比，与晶片尺寸无关。 大气压力检测 ► 石英晶体的压电效应——压电晶片产生电荷的极性与受力 ● 若沿晶片的x轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正负电荷。 ● 若沿晶片的y轴施加压力Fy时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直x轴的表面上，只是电荷的极性相反。 ● 若将x 、y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。 ● 压电陶瓷：人工制造的具有电畴结构的多晶压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。 大气压力检测 ► 压电陶瓷的压电效应 不具有压电效应 有了压电特性 原始的压电陶瓷 外加直流电场 极化电场去除后，电畴方向基本不变，留下了很强的剩余极化。 极化过的压电陶瓷受力后产生电荷。 ● 极化处理：在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如20～30kv/cm直流电场）。 大气压力检测 ► 压电陶瓷的极化处理 外力作用 极化处理的压电陶瓷 外加直流电场 ● 原因：陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方向。 压电效应 (a) 未极化 (b) 电极化 压 电 式 传 感 器 测 量 电 路 1、把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 2、放大传感器输出的微弱信号。 前置放大器作用 前置放大器形式 1、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； 2、电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 12 大气压力检测 ► 测量电路 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路图 电荷放大器的反馈电容 反馈电阻 Lavf58.29.100 $$