压电式传感器及应用PPT课件

（4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受
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。
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结论
沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产 生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关， 式中的负号说明沿机械轴的压力引起的 电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极 性恰好相反。
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8.1.2 压电材料
1．压电材料的主要特性参数
（1）压电常数 （2）弹性常数 （3）介电常数 （4）机械耦合系数 （5）绝缘电阻 （6）居里点
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2.常用压电材料
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是 性能优良的压电材料。
应用于压电式传感器中的压电元件材料 一般有3类：压电晶体、经过极化处理的 压电陶瓷、高分子压电材料。
压电陶瓷外形
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高分子压电薄膜及拉制
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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8.2压电式传感器测量电路
8.2.1 压电式传感器的等效电路
8.2.2 压电式传感器测量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输 入阻抗的前置放大电路配合，与一般的 放大、检波、显示、记录电路连接，防 止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少。
压电式传感器的前置放大器的作用有两 个：一是把传感器的高阻抗输出变为低 阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
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沿光轴看去，可以等效地认为正六边形 排列结构。
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石英晶体的压电效应机理
1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心
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分析说明
（1）在无外力作用时
（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压
力时，晶格产生变形
（3）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
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主要章节
8.1压电效应及压电材料 8.2压电式传感器测量电路 8.3压电式传感器的应用
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8.1压电效应及压电材料
8.1.1 压电效应
1．压电效应的概念
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的 两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去 掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象 称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加 电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称 为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
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8.3压电式传感器的应用
8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采 用多片压电晶片粘结在一起。其中最常用的是 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
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。
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石英晶体及切片
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石英晶体的压电效应与其内部结构有关， 产生极化现象的机理可说明。
石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶
胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅 离子和两个氧离子交替排列（氧离子是 成队出现的）。
将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上 金属电极后，就构成了压电元件。当压 电元件受力时，就会在两个电极上产生 电荷，因此，压电元件相当于一个电荷 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 = εRε0A/δ
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压电元件的等效电路
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输出信号
根据压电式传感器的工作原理及等效电 路，它的输出可以是电荷信号，也可以 是电压信号，因此与之配套的前置放大 器也有电荷放大器和电压放大器两种形 式。
由于电压前置放大器的输出电压与电缆 电容有关，故目前多采用电荷放大器。
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1.电荷放大器
并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容 Cf的高增益运算放大器电路
电荷放大器原理图
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结论
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。
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2.电压放大器（阻抗变换器）
串联输出型压电元件可以等效为电压源， 但由于压电效应引起的电容量很小，因 而其电压源等效内阻很大，在接成电压 输出型测量电路时，要求前置放大器不 仅有足够的放大倍数，而且应具有很高 的输入阻抗
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压电效应可逆性
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2.压电效应原理
具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电 陶瓷、高分子压电材料等
石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二 氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六
角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和 z轴。 z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x
压电元件等效为一个与电容相并联的电 荷源，也可以等效为一个与电容相串联 的电压源，
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压电元件实际的等效电路图
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。
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石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
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双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
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石英晶体在振荡 电路中工作时，压电 效式传感器及应用
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引言
压电式传感器的工作原理是基于某些介 质材料的压电效应，是典型的有源传感 器。当材料受力作用而变形时，其表面 会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工 作频带宽等特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、医 学、力学、宇航等方面都得到了非常广 泛的应用。