3.2 压电式传感器测量压力（课件）-《传感器检测技术》同步教学（中国铁道出版社）

第3章 力与压力的检测 本 章 小 结 3.3 简易电子秤的制作与调试 3.2 压电式传感器测量压力 3.1 电阻应变式传感器测量压力 3.2 压电式传感器测量压力 3.2 压电式传感器测量压力 3.2.1压电效应及压电材料 1.压电效应 某些电介质，当沿着一定方向对其施加作用力使其变形时，其内部就会产生极化现象，筒式同时在它的两个表面上就会产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也会发生改变。有时人们把这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应。反之，在当电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。 3.2 压电式传感器测量压力 2.压电材料的压电效应 （1）压电材料的特性参数 压电常数：它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度。 弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定了压电器件的固有频率和动态特性。 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容有影响着压电传感器的频率下限。 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度。 （2）石英晶体的压电效应 横向压电系数，d12=-d11 3.2 压电式传感器测量压力 z轴（纵向轴） x轴（电轴） ：经过棱线并垂直于光轴 y轴（机械轴）：与电轴、光轴同时垂直 （a）晶体外形 （b）切割方向 （c）晶片 当沿电轴方向有作用力Fx时，在与电轴垂直的平面上产生电荷。产生的电荷量为 横向压电效应与晶片的几何尺寸有关，横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。 纵向压电效应与晶片的尺寸无关，当改变作用力的方向时，在晶体表面产生的电荷极性相反。 如果沿y轴施加作用力Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的表面上，其电荷量为 纵向压电系数 压电晶体的长度 压电晶体的厚度 3.2 压电式传感器测量压力 （3）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。压电陶瓷人工极化后，当沿极化方向施加作用力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正负电荷，其电荷量为 （a）极化前 （b）极化后 3.2 压电式传感器测量压力 （4）高分子压电材料 高分子压电材料具有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度检测中。它具有很好的柔性和加工性能，可制成不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适于制作大面积的传感阵列器件。 高分子压电传感器 3.2 压电式传感器测量压力 3.2.2压电传感器的测量电路 1.压电式传感器的等效电路 压电元件可看成一个电荷发生器，同时，也相当于一个电容器 A为压电片的面积，d为压电片的厚度，εγ为压电材料的相对介电常数 （a）电压源 （b）电荷源 3.2 压电式传感器测量压力 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。 （a）电压源 （b）电荷源 3.2 压电式传感器测量压力 2.压电式传感器的测量电路 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和一个高增益放大器组成。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。可求出电荷放大器的输出电压 通常A=104～108，因此满足 故上式可表示为 3.2 压电式传感器测量压力 3.2.3压电式传感器的应用 1．压电传感器的基本结构 在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种，一般是并联接法以提高灵敏度。 由上可知，压电晶片并联可以增大输出电荷，提高灵敏度。具体使用时，两片晶片上必须有一定的预紧力，以保证压电元件在工作时始终受到压力，同时可以消除两压电晶片之间因接触不良而引起的非线性误差，保证输出与输入作用力之间的线性关系。但是这个预紧力不能太大，否则将影响其灵敏度。 3.2 压电式传感器测量压力 2. 压电式测