第五章压电式传感器.

第五章 压电式传感器

本章主要内容：

压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电材料，它是典型的有源传感器。本章介绍压电式传感器的工作原理、着重是压电晶体和压电陶瓷两类压电材料；讨论压电式传感器的等效电路和测量电路。要求初步掌握压电式传感器的原理及应用。

第二讲 压电传感器的等效电路及测量应用

教学目的要求：1.掌握压电元件的等效电路和测量电路；

2.了解压电传感器的基本应用。

教学重点：压电元件的等效电路和测量电路

教学难点：压电传感器的应用

教学学时：共2学时

教学内容：

一、压电式传感器的等效电路

等效电路：

1）压电元件等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷等效电路，如图5-4（a ）所示。电容器上的电压U a ，电荷量Q 和电容C a 三者关系为

a

a C Q U 2）压电元件也可以等效为一个电压源和一个电容串联表示的电压等效电路，如图5-4（

b ）所示。

(b) 电压等效电路 （a ）电荷等效电路

图5-4压电式传感器的等效电路 Ca Ua Q Ca Ua Uo

二、 压电式传感器的测量电路

1. 测量电路

如图5-6所示，压电式传感器的输出信号非常微弱，通常需要将其放大后才能进行检测。又因为传感器的内阻抗极高，因此需要有阻抗非常高的前置放大器与之匹配，然后再使用一般放大、显示、检波、记录等电路。

图5-6 电荷放大器等效电路图

当A >>1时，则

)()1(i c a f C C C C A ++>>+

f

f o )1(C Q C A AQ U -≈+-≈ 说明：1）电荷放大器的输出电压仅与输入电荷量和反馈电容有关，电缆电容等其他因素可忽略不计，这是电荷放大器的特点，也正因为这一特点使得电荷放大器得到广泛的应用。

2）采用电荷放大器的原因：电压放大器中的输出电压与电缆电容有，关因而大都采用电荷放大器。

3）压电传感器的测量对象：动态量，

原因：由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这需要转换电路具有无限大的输入阻抗，但实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给转换电路以一定的电流，故只适用于动态测量。

三、压电式传感器的应用

1. 压电元件的串并联使用

在压电式传感器的使用中，为了提高灵敏度，常常把几片同型号的压电元件叠在一起使用。

并联：图5-7（ａ）是两个压电片的负极粘在一起，中间插入的金属电极成为两压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍，电容量也增加一倍，输出电压与单片时相同。

串联：图5-7（ｂ）是两压电片不同极性端粘在一起，电路上是串联的。两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大一倍。

(a) (b)

图5—7 压电元件连接方式

2. 压电传感器的特点

体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、测量频率范围宽等优点，是应用较广的力传感器，但不能测量频率太低的被测量，特别是不能测量静态量，目前多用于测量加速度和动态的力或压力。

3 . 压电传感器的应用

1）．压电式测力传感器

2、压电式加速度传感器

本讲小结

压电元件当其表面产生电荷后，可以等效为一个电荷源与电容并联电路，也可以等效为一个电压源和一个电容串联电路。不论是并联等效电路，还是串联等效电路，要想保持电容上的电荷不变，则要求后续电路的输入阻抗为无穷大，但这是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电式传感器输出信号非常微弱，且传感器的内阻极高，故测量时需要有一内阻非常高的放大器与之匹配，实际应用时大多采用电荷放大器作为压电式传感器的前置放大器。

作业

1 .压电式传感器能否用于重力的测量？为什么？

2. 根据图5-11（a ）所示石英晶体切片的受力和产生电荷的方向，标出图5.11（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）晶体切片上产生电荷的符号。

图5-11 石英晶体切片的受力示意图

3. 图5-12是振动式粘度计的原理示意图。导磁的悬臂梁6与铁心3组成振动器，压电片4粘贴于悬臂梁上，振动板7固定在悬臂梁的下端，并插入到被测粘度的粘性液体中。请分析该粘度汁的工作原理。

1—交流激励源；2—励磁线圈；3—电磁铁心；

4—压电片；5—质量块；6—悬臂梁；7—振动板；8—粘性液体；9—容器

图5-12 振动式粘度计的原理示意图

x F x x y y y y

+x

F y F y F +

+---