压电式传感器：一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件。

　　　　

　　压电式传感器：一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件。

　　应用：它可以测量那些最终可以变换为力的非电物理量，但不能用于静态参数的测量。

　　　　

一、压电效应

第一节压电式传感器的工作原理

二、压电材料

　　　　

一、压电效应

　　 1 ．压电效应

　　某些电介质在沿一定方向受到外力的作用变形时，由于内部电荷的极化现象，相应地在其表面产生极性相反的电荷；当外力作用消失时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象就称为压电效应。


　　　　

　　 2．逆压电效应（电致伸缩效应）

　　在电介质的极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场，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）。

　　 3．压电元件

　　用压电材料制造的传感元件称作压电元件。


　　　　

　　 4．压电效应机理　　现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。　　（ 1 ）石英晶体的结构　　石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角晶系。右图是天然晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。　　 z 轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；　　 x 轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；　　 y 轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。


　　　　

　　（ 2 ）纵向压电效应

　　从晶体上沿 x y z 轴线切下的一片平行六面体的薄片称为晶体切片。　　它的六个面分别垂直于光轴、电轴和机械轴。通常把垂直于 x 轴的上下两个面称为 x 面，把垂直于 y 轴的面称为 y 面。　　如右图所示。当沿着 x 轴对晶片施加力时，将在 x 面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。


　　　　

　　（ 3 ）横向压电效应　　沿着 y 轴施加力的作用时，电荷仍出现在 x 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。

　　（ 4 ）压电效应机理

　　在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。

　　 1—— 正电荷等效中心， 2—— 负电荷等效中心。


　　　　

　　当晶体沿电轴方向受到压力时，晶格产生变形，如右图所示。正、负电荷中心分离，形成电场。

　　同样，当晶体的机械轴（ y 轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形，如右图所示。


　　　　

　　而在光轴（ z 轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。

yFl

dQ

　　式中 l 、分别为石英晶片的长度与厚度。

　　在晶体的弹性限度内，在 x 轴方向上施加压力 Fx 上时，x 面上产生的电荷为 Q = d Fx ，式中， d 为压电常数。在 y 轴方向施加压力时，在 x 面上产生的电荷为


　　　　

　　选用压电材料应考虑以下几方面的问题。

二、压电材料

　　① 转换特性：较大的压电系数，以使压电传感器具有较高的灵敏度。　　②　机械特性：较高的强度与刚度，以获得较宽的线性范围和较高的固有频率。

　　③　电气特性：较高的电阻率和较大的介电常数，以削弱外部引线分布电容的影响。

　　④　温度特性：较高的居里点（压电材料是否具有压电效应的相应温度点），以获得较宽的温度范围。


　　　　

　　 1．石英晶体

　　石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定，介电常数于压电系数的温度稳定性特别好，且居里点高，达到 575 ℃。压电常数小，价格较贵。

　　 2．压电陶瓷

　　压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，与石英晶体相比，压电陶瓷的压电系数很高，具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点，制造成本很低。


　　　　

　　 3．高分子压电材料

　　某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。

　　目前出现的压电薄膜有聚偏二氟乙烯 PVF2 （ PVDF ）、

聚氟乙烯 PVF 、聚氯乙烯 PVC 等。这些是柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。


　　　　

一、压电元件的等效电路

第二节压电式传感器的测量电路

二、压电式传感器的测量电路

　　　　

一、压电元件的等效电路

　　当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，相当于一个电荷源；

　　两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为 Ca 。


　　　　

　　因此，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的等效电路

　 U = Q / Ca

　　如图右所示，压电元件也可以等效为一个电荷源与一个电容相串联的等效电路。其输出电压为


　　　　

　　压电传感器与检测仪表连接时，还必须考虑电缆电容 Cc ，放大器的输入电阻 Ri 和输入电容 Ci ，以及传感器的泄漏电阻 Ra 。如右图所示为压电传感器完整的等效电路。

　　适用范围：

　　压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。


　　　　

二、压电式传感器的测量电路　　压电式传感器要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，然后再接一般的放大、检波、显示、记录电路。

　　 1 ．压电式传感器的前置放大器的作用

　　（ 1 ）把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。　　（ 2 ）把传感器的微弱信号进行放大。

　　 2．前置放大器的两种形式

　　电荷放大器和电压放大器。


　　　　

　　 3 ．电荷放大器原理

　　如右图所示。当放大器开环增益 A 和输入电阻 Ri 、反馈电阻 Rf

相当大时，在计算中，可以把输入电阻 Ri 和反馈电阻 Rf 忽略，放大

器的输出电压 Uo 正比于输入电荷

Q 。


　　　　

　　设 C 为总电容，则有 Uo = -AUa = -AQ / C 。根据密勒定理，反馈电容 Cf 折算到放大器输入端的等效电容为（ 1 +

A ） Cf ，则

　　当 A 足够大时，则（ 1 + A ） Cf >> （ Ca + Cc + Ci ），这样

])1([ ficao

CACCCQA

U

ffo

)1( CQ

CAQA

U

　　由此可见，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。


　　　　

一、压电式力传感器

第三节压电式传感器的结构与应用

二、压电式加速度传感器

　　　　

　　最常采用的是两片结构。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，如左图所示。

C// = 2Ca U// = U Q// =2Q

　　右图为等效电路图。其总面积及输出电容 C// 是单片电容 C 的两倍。但输出电压 U// 仍等于单片电压 U ，即


　　　　

一、压电式力传感器　　常用的形式为荷重垫圈式，如下图所示的是 YDS – 78 型压电式单向力传感器的结构，它主要用于变化频率不太高的动态力的测量。被测力通过传力上盖使压电元件受压力作用而产生电荷。

1— 传力上盖 2— 压电片 3— 电极 4— 电极引出插头 5—绝缘材料 6—底座


　　　　

二、压电式加速度传感器　　压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。下图是一种压缩型的压电式加速度计。

（ a ）原理图　　　　（ b ）传感器结构图1— 基座 2— 引出电极 3— 压电晶片 4— 质量块 5— 弹簧 6—壳体 7—固定螺孔


　　　　

本章小结　　 1 ．压电效应：某些电介质在沿一定方向受到外力的作用变形时，由于内部电荷的极化现象，相应地在其表面产生极性相反的电荷；当外力作用消失时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象就称为压电效应。

　　 3 ．在 y 轴方向施加压力时，在 x 面上产生的电荷为，式中 l 、分别为石英晶片的长度与厚度。

　　 2 ．在 x 轴方向上施加压力 Fx 上时， x 面上产生的电荷为 Q = d Fx ，式中， d 为压电常数。

　　　　

本章小结　　 4．压电式传感器的压电元件材料主要有：压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料。

　　 6．电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关。

　　 5 ．电荷放大器的输出电压为

])1([ ficao

CACCCQA

U

　　 7 ．压电式传感器最常用的是两片结构，接法有串联和并联两种。

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压电式传感器： 一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件。

压电式传感器：一种典型的自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面将产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件。