3.3压电传感器测量压力（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

学 习 目 标 技能目标 能利用电阻应变式传感器测量压力和称重 能利用电感式传感器实现气体压力、位移等信号检测 能利用压电传感器测量压力和加速度 知识目标 掌握电阻应变式传感器的结构、测量电路和工作原理 理解应变片的温度补偿原理和措施 掌握自感式、互感式传感器的结构和工作原理 理解电感式传感器差动结构的优点 掌握压电传感器的结构、工作原理和应用 项目3 压力测量 任务3 压电传感器测量压力 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称为压电效应。 在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械振动。当去掉外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发声的。 3.3.1 压电效应 知识链接 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ F F + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3.3.2 压电材料 压电元件材料主要有压电晶体（单晶体）、经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）和高分子压电材料。选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键，一般应考虑以下几个方面： ① 转换性能。具有较高的耦合系数或较大的压电系数。压电系数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。 ② 机械性能。作为受力元件，压电元件应具有较高的机械强度和较大的机械刚度。 ③ 电性能。具有较高的电阻率和大的介电常数。 ④ 温度和湿度稳定性。具有较高的居里点。 ⑤ 时间稳定性。压电特性不随时间锐变。 1．压电晶体 （1）石英晶体 石英晶体化学式为SiO2，呈单晶体结构，是一种性能非常稳定的压电晶体。图3.43（a）所示为天然结构的石英晶体理想外形，它是一个正六面体。 天然形成的石英晶体外形 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 晶体在沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应 ；晶体沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。 若从晶体上沿机械轴y轴方向切下一块晶片，当在电轴x方向施加作用力fx时，在与x轴垂直的平面上将产生电荷qx，其大小为 qx=d11fx 若在同一切片上，沿机械轴y轴方向施加作用力fy时，则仍在与x轴垂直的平面上将产生电荷qy，其大小为 （2）水溶性压电晶体 单斜晶系的压电晶体主要有酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锂；正方晶系的压电晶体主要有磷酸二氢钾、磷酸二氢氨、砷酸二氢钾、砷酸二氢氨等。 2．压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，但机械强度较石英晶体稍低，而且制造成本也较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系列压电陶瓷（如BaTiO3等）。 图5.2 部分压电陶瓷的外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 3．高分子压电材料 高分子压电材料是近年来发展很快的一种新型材料，高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制成较大面积或较长的尺度，因此价格便宜。测量动态范围可达80 dB，频率响应范围可从0.1 Hz直至109 Hz，因此在一些不要求测量精度的场合多用做定性测量。 高分子压电薄膜 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应） 3.3.3 压电式传感器测量电路 1．压电元件的等效电路 图3.46 压电式传感器的等效电路 当压电元件受到沿敏感轴方向的外力作用时就产生电荷，因此压电元件可以看成是一个电荷发生器，同时它也是一个电容器。因此可以把压电元件等效为一个电荷源与