1、壓電式傳感器引文：該傳感器是一種典型的有源傳感器，利用某些介質在外力的作用下，在電介質的的表面產生電荷，從而實現非電量的測量Go!引文當沿著一定方向對某些電介質施力而使它變形，其內部產生極化現象，同時它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉后又恢復不帶電狀態，這種將機械能轉換成電能的效應稱為“正壓電效應”.當在電介質極化方向施加電場時，電介質在一定方向上產生機械變形，內部出現機械應力，這種將電能轉換成機械能的現象稱“逆壓電效應”.壓電材料可實現機電能量的相互轉換.如圖示可逆性：壓 電 效 應返 回特點:實現力與電荷的雙向轉換。壓電傳感器特點與應用正六面體。 石英晶體各個方向的特性是不同的。

2、在直角坐標系中，它有三個軸。電軸（X軸）：穿過六棱柱的棱線，垂直于Z軸（光軸）。垂直于此軸面上的壓電效應最強。(1)石英晶體的結構石英晶體壓電效應2機械軸（Y軸）：垂直于棱柱面。在電場沿X向作用下，沿該軸方向的機械變形最大。 壓電傳感器工作原理4.2.1光軸（Z軸）：垂直于XY。光線沿該軸通過石英晶體時，無折射，在此方向加外力，無壓電效應現象 。壓電傳感器工作原理壓電傳感器工作原理(3) 壓電效應的物理解釋 石英晶體sio2，3個硅離子Si 4+離子, 6個氧離子O2-。兩兩成對。微觀分子結構為一個正六邊形。（1）未受外力作用時, 正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個互成120夾角

3、的電偶極矩P1、 P2、P3。 P1+ P2+P3=0。正負電荷中心重合，晶體垂直X軸表面不產生電荷。呈中性。壓電傳感器工作原理4.2.1（2）受x軸方向的壓力作用時, 此時正負電荷重心不再重合, 電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3） 0 。 在x軸的正方向出現正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現電荷。（3）受到沿y軸方向的壓力作用時, P1增大, P2、P3 減小。 在垂直于x軸正方向出現負電荷, 在y軸方向上不出現電荷。壓電傳感器工作原理（4）沿z軸方向施加作用力, 晶體在x方向和y方向所產生的形變完全相同, 所以正負電

4、荷中心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會產生壓電效應。 當作用力fx、fy的方向相反時, 電荷的極性也隨之改變。 石英晶體的優點：介電和壓電常數的溫度穩定性好。多用在校準用的標準傳感器或精度很高的傳感器中。也用于鐘表及微機中的晶振(逆壓電效應)。壓電傳感器工作原理壓電陶瓷的壓電效應3電疇的極化方向轉向，基本與電場方向一致。 （2）加電場（1）未加電場電疇極化強度為零。圖 4- 20 壓電陶瓷的極化壓電傳感器工作原理去掉外電場，材料具備壓電性能，陶瓷片對外不表現極性。陶瓷極化的兩端的束縛電荷與在陶瓷片的電極表面吸附一層外界的自由電荷方向相反，數值相等。束縛電

5、荷電極自由電荷壓電陶瓷內束縛電荷與吸附自由電荷示意圖Z壓電傳感器工作原理4.2.1當壓電陶瓷受到外力作用時，電疇的界限發生移動，剩余極化強度將發生變化，吸附在其表面的部分自由電荷被釋放。釋放的電荷量的大小與外力成正比關系，即q = d33 F d33為壓電陶瓷的壓電系數正壓電效應,如超聲波測流速、測距，熱釋電人體紅外報警器等。（3）壓電陶瓷力與電荷的關系（4-16）壓電傳感器工作原理4.2.1壓電元件兩電極之間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣體，構成一個電容器，其電容量為壓電傳感器可等效成一個電壓源U和一個電容相串聯的電路， 可等效成一個電荷源與一個電容相并聯的電路 產生的電壓與電荷的關系為壓電元件

6、的等效電路及連接方式4.2.2壓電元件的等效電路1 (a)電荷源 (b) 電壓源 圖 7-2 壓電傳感器等效電路（4-18）壓電元件的等效電路及連接方式并聯方式 輸出電荷大，時間常數大，適合測慢變信號，以電荷為輸出的場合。（4-19）串聯方式 輸出電壓大，電容、時間常數小，適合以電壓為輸出，高輸入阻抗的場合。（4-20）壓電元件的連接方式2壓電元件的等效電路及連接方式4.2.2（a)并聯結構 (b)串聯結構圖4- 23 壓電元件的連接方式壓電元件的等效電路及連接方式4.2.2壓電傳感器測量電路4.2.3電壓放大器1前置放大器作用：將壓電傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；放大傳感器輸出的微弱信

7、號。（1）傳感器宜測高頻動態量。使用時應該注意的問題（2）電纜不宜過長，否則，CC加大，使傳感器的電壓靈敏度下降。（3）要使電壓靈敏度為常數，應使壓電片與前置放大器的連接導線為定長，以保證CC不變。（4）測量低頻信號，應增大前置放大器的輸入電阻，使測量回路的時間常數增大，保證有較高的靈敏度。壓電傳感器測量電路電荷放大器可看作是具有深度電容負反饋的高增益放大器。凈輸入電荷（4-26）（4-27）（4-28）電荷放大器2壓電傳感器測量電路4.2.3總電荷輸出電壓為電荷放大器的特點是輸出電壓與電纜電容CC無關，即與電纜長度無關。且與輸出電荷成正比。（4-29）（4-30）壓電傳感器測量電路4.2.3

8、壓電傳感器測量電路連接方式：采用并聯接法。要求：為使壓電片電荷與力之間成線性關系，壓電片需有一定的預壓力，保證接觸面均勻接觸。（1）結構壓電傳感器應用壓電加速度傳感器1圖4-26壓電加速度計結構 圖4- 27 壓電式加速度傳感器工作原理框圖質量塊m壓電元件d, k前置放大Au, Aq提高靈敏度的措施采用較大的壓電常數的材料。多片壓電片組合。（2）工作原理壓電傳感器應用 壓電引信是一種利用鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電效應制成的軍用彈丸啟爆裝置。它具有瞬發度高，不需要配置電源等優點，常應用于破甲彈上，對提高彈丸的破甲能力起著重要的作用。 整個引信由壓電元件和啟爆裝置兩部分組成。壓電元件安裝在彈丸的頭部，啟

9、爆裝置設置在彈丸的尾部，通過導線互連。平時電雷管E處于短路保險安全狀態，壓電元件即使受壓，其產生的電荷也通過電阻R釋放掉，不會使電雷管引爆。壓電引信2壓電傳感器應用彈丸發射時，引信啟爆裝置解除保險狀態，開關K從a處斷開與b接通，處于工作狀態。當彈丸與裝甲目標接觸時，碰撞壓力使壓電元件產生電荷，經過導線傳遞給電雷管使其啟爆，引起彈丸爆炸錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，形成高溫高流速的能量流將堅硬的鋼甲穿透，起到摧毀的目的。破甲彈示意圖壓電傳感器應用KEKRba壓電元件4-29 壓電引信工作原理圖壓電傳感器應用 檢測原理 檢測時傳感器用膠粘貼在玻璃上, 然后通過電纜和報警電路相連。壓電傳感器把玻璃振動波轉換成電壓輸出。輸出電壓經放大、帶通濾波、 比較等處理后提供給報警系統。 帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內的輸出電壓信號通過，其它頻段