[工学]第五章压电式传感器

如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y 方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持 重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施 加作用力, 晶体不会产生压电效应。
从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸 长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之， 石英等单晶体材料是各向异性的物体，在x或y轴 向施力时，在与x轴垂直的面上产生电荷，电场 方向与x轴平行，在z轴方向施力时，不能产生压 电效应。
压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种 形式，如下图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪 切变形的剪切式两种。
F ＋
－ (a ) －
F －
(b )
F
＋
－
F
F
＋
(c) ＋
＋ －
(d )
(e)
压电元件变形方式
厚度变形( TE ); (b) 长度变形( LE )； (c) 体积变形( VE )； (a) 面切变形( FS )； (e) 剪切变形( TS )
相同极性端粘结：负端粘结在一起，中间插入的金属电极为负
极，正电极在两边的电极上。类似电容的并联。外力作用下正
负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压
与单片时相同。
不同极性端粘结 ：类似两个电容的串联的，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，输出电压增大了1倍。
压电晶体
高分子压电材料
压电陶瓷
压电材料的主要特性参数有：
① 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱 的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。
② 弹性常数: 压电材料的弹性常数、刚度决定着 压电器件的固有频率和动态特性。
③ 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；而固有电容又影 响着压电传感器的频率下限。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏 的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗， 这实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。 压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测 量回路一定的电流，故适用于动态测量。
为灵敏度，常用两片同型号压电元件粘结在一起。两种接法：
线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z 轴同时垂直的轴y称为机械轴。 把沿电
z 光轴
轴x方向的力作用下产生电荷的压电效
应称为“纵向压电效应”， 而把沿机
械轴y方向的力作用下产生电荷的压电
效应称为“横向压电效应”。 而沿光 y 机械轴
轴z方向的力作用时不产生压电效应。
电轴 x
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子 正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成 120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即 呈中性。
＋
＋＋ ＋＋
＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋
－ －－ － －
(a)
(b)
＋＋ ＋＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋
－ －－ － －
(a)
(b)
图6-5 压电元件连接方式 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结
在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的 场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压 作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。
R
R i // R a
Ri Ra Ri Ra
等效阻抗
Z eq
1
j C 1
R
C
电荷源
百度文库
电压源
六、测量电路
•对测量电路的要求：由于压电材料内阻都很高， 输出的信号能量都很小，这就要求测量电路的 输入电阻应非常大。
①纵向效应：
q1 D1Fx
- - - F- -x xy
++ ++ Fx
②横向效应：
+++++
q2 D2Fy Fy
xy
Fy
-------
③切向效应：
+ + + + + Fy
q3 D3F Fy - - - - - - -
四、 压电式传感器
压电式传感器的基本原理：压电材料的压电效应，即当 有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。
五、等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜， 构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数 值相等极性相反的电荷，形成电场。因此，可等效为一 个有源的电容器。
等效电容：Ca
0r A
开路电压： U 0
q Ca
接入后续电路，等效电路：
测量电路
传感器
连接电缆寄生电容
C Ca Cc Ci
——————
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x 方向将产生压缩变形,硅离子1被挤入氧离子2和6之间， 而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现 负电荷，而在表面B上呈现正电荷。正负电荷重心不再 重合,在x轴的方向出现电荷, 电偶极矩在y方向上的分量 仍为零, 不出现电荷。
当受y轴方向的压力时,硅离子3和氧离子2，及硅离 子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D 上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在x轴的端面上 又呈现电荷，但与图(b)的极性正好相反。
性的的一个温物度理。特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的
磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点“。
三、工作原理
以石英晶体为例，石英晶体化学式为SiO2， 是单晶体结构。下图表示了天然结构的石英晶体 外形，它是一个正六面体。
石英晶体各个方向的特性是不同
的。 纵向轴z称为光轴，经过六面体棱
压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感 器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递 损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除 了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触 表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压 电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。
④ 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，
转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械
能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能 量转换效率的一个重要参数。
⑤ 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。
⑥ 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特
19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石