信號檢測與變換第七章壓電式傳感器第七章壓電式傳感器主要內(nèi)容：壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路第七章壓電式傳感器什么是壓電式傳感器？壓電式傳感器是一種有源傳感器，它是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。它可以用于力、加速度、速度、振動以及流量等參數(shù)的測量。壓電式傳感器的特點靈敏度高結(jié)構(gòu)簡單工作可靠信噪比高7.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器利用介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量的目的壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到拉力或壓力作用而發(fā)生變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)也稱為正壓電效應(yīng)，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能7.1壓電式傳感器的工作原理逆壓電效應(yīng)與正壓電效應(yīng)相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能具有壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等利用逆壓電效應(yīng)可以制成電激勵的制動器（執(zhí)行器）；基于正壓電效應(yīng)可制成機(jī)械能的敏感器（檢測器），即壓電式傳感器。7.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理就是利用某些電介質(zhì)的正壓電效應(yīng)，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為力的變化，當(dāng)力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）的輸出。壓電式傳感器的工作過程被測量——力——電荷被測量的認(rèn)識過程電荷（或電壓）——力——被測量7.1.1壓電效應(yīng)石英晶體石英晶體是各向異性材料，不同晶向具有各異的物理特性。7.1.1壓電效應(yīng)沿x軸方向施加作用力x軸：平行于正六面體的棱線，稱為電軸沿該方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”。當(dāng)沿電軸方向施加作用力Fx時，則在與電軸垂直的YOZ平面上產(chǎn)生電荷Qx，它的大小為電荷Qx的符號視Fx是受拉或受壓而決定。切片上產(chǎn)生的電荷的多少與切片的幾何尺寸無關(guān)7.1.1壓電效應(yīng)沿y軸方向施加作用力y軸：垂直于正六面體棱面，稱為機(jī)械軸沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。電荷仍出現(xiàn)在YOZ平面上，但極性方向相反，電荷的大小為7.1.1壓電效應(yīng)沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時產(chǎn)生的電荷與晶體切片的尺寸有關(guān)沿y軸的壓力所引起的電荷極性與沿x軸的壓力所引起的電荷極性相反沿z軸方向施加作用力z軸：通過錐頂端的軸線，是縱向軸，稱為光軸沿光軸方向受力不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。7.1.1壓電效應(yīng)晶體切片上電荷符號與受力方向的關(guān)系7.1.1壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)7.1.2壓電常數(shù)和表面電荷的計算壓電元件在受到力的作用時，就在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷。任意受力表面電荷密度方程組7.1.2壓電常數(shù)和表面電荷的計算壓電材料的壓電特性可以用壓電常數(shù)矩陣表示石英晶體

7.1.2壓電常數(shù)和表面電荷的計算對能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體變形方式7.1.2壓電常數(shù)和表面電荷的計算厚度變形（TE方式，縱向壓電效應(yīng)）長度變形（LE方式，橫向壓電效應(yīng)）7.1.2壓電常數(shù)和表面電荷的計算面剪切變形（FS方式）厚度剪切變形（TS方式）彎曲變形（BS方式）彎曲變形不是基本的變形方式，而是拉、壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。應(yīng)根據(jù)具體的晶體的切割及彎曲情況選擇合適的壓電常數(shù)進(jìn)行計算7.2壓電材料轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電常數(shù)機(jī)械性能：強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率電性能：高的電阻率，大介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響，獲得好的低頻特性溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期獲得較高的工作溫度范圍時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變7.3壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器有兩種等效電路電荷等效電路電壓等效電路7.3壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器放大器輸入端等效電路電壓等效電路電荷等效電路7.3壓電式傳感器的等效電路壓電片的連接方式并聯(lián)電壓不變電荷量為2倍電容2倍串聯(lián)電壓2倍電荷量不變電容一半－＋＋＋＋－－－7.4壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須很大，因此通常的壓電式傳感器后信號調(diào)節(jié)電路的接法是：壓電式傳感器輸出——高輸入阻抗的前置放大器——放大電路或其他電路壓電式傳感器的測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗的前置放大器把壓電式傳感器的微弱信號放大高阻抗到低阻抗輸出變換壓電式傳感器的前置放大器有電壓型和電荷型兩種形式7.4.1電壓放大器（阻抗變換器）傳感器與電壓放大器連接的等效電路等效電阻 等效電容7.4.1電壓放大器（阻抗變換器）若作用在壓電元件上的力F為壓電系數(shù)為d，則在F的作用下，產(chǎn)生的電荷電流i為輸入電壓為7.4.1電壓放大器（阻抗變換器）前置放大器的輸入電壓幅值為輸入電壓與作用力之間的相位差為理想情況下，前置放大器的輸入電壓幅值為7.4.1電壓放大器（阻抗變換器）7.4.1電壓放大器（阻抗變換器）當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力時，則前置放大器的輸入電壓等于零。這也就從原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。當(dāng)