2.2压电传感器的转换原理（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

模块二 力敏传感器及其应用 课题二 压电传感器的转换原理 任务：压电式玻璃破碎报警器的设计 任务目标 ★ 掌握压电式力敏传感器的工作原理； ★ 掌握电容应变式力敏传感器的工作原理； ★ 了解压电应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。 压电传感器是利用某些半导体材料的压电效应来实现由力至电量的转化，属于有源传感器类。由于其灵敏系数高，信噪比高，使用频带宽，体积小，方便耐用等优点已广泛应用在工业、军事及民用等方面。压电传感器材料一般有三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。 一、压电传感器 1．压电转换元件的工作原理 （1）压电效应 某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即 式中，是压电常数，它反映了压电效应的强弱。上述现象称正压电效应。反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应，如图2-14所示。 （2-9） （a）材料受压 （b）材料受拉 （c）材料受压 （d）材料受拉 图2-14 压电效应 （2）压电传感器材料及特性 常用压电传感器的材料一般有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。 ① 石英单晶分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好，如图2-15所示。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。 （a）压电常数与温度的关系 （b）介电常数与温度的关系 石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，如下图所示。 石英晶体的坐标轴和切片 纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。 横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。 ② 压电陶瓷是多晶体。最常见的有钛酸钡、锆钛铅系列等。压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，经过人工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用 。 ③ 有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。 （ａ）天然石英晶体 （b）石英晶体薄片 （c）压电陶瓷 （d）高分子压电薄膜 各种压电材料的外形图 （3）压电传感器的结构 压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如图2-17（a）所示。它是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，引出两个电极。实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联。如图2-17（b）、（c）所示，就如同将两个电容器串联和并联一样。串联输出的电压高，自身电容小；并联输出电荷量大，电容量大。串联主要用在以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合，而并联由于时间常数大，主要用于以电荷为输出量的场合，适于测量缓变信号。 （a）压电晶片 （b）串联 （c）并联 图2-17 压电晶片及压电传感器结构 （4）压电传感器基本应用电路 根据后续放大电路是电压放大还是电荷放大，可将压电传感器等效为电压源电路和电荷源电路，如图2-18所示，Ca为等效电容。 （a）电荷源等效电路 （b）电压源等效电路 图2-18 压电传感器等效电路 由于压电传感器产生的电量非常小，且内阻极高，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。 前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种型式。 下面简单介绍电荷型放大电路，如图2-19所