传感器技术 电量型—电荷输出型

☎三效应：
纵向效应：沿x轴加力 横向效应：沿y轴加力 切向效应：垂直z轴方向形成力矩。
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切横纵向向向效效效应应应
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压电式传感器 1. 压电效应
☎逆压电效应(Reverse piezoelectric effect)：由于外
电场作用导致物体的机械变形现象，称为逆压电效 应，又称电致伸缩效应。
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压电式传感器
2. 压电材料
② 石英陶瓷(piezoelectric ceramics)
☻ 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所 谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁 电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。 每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排 列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电 性。要使之具有压电性，必须作极化处理。
F ma
☻ 结构型式：
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压电式传感器
4. 压电传感器的应用
☎ 逆压电式传感器应用：压电式传感器的工作原理是 可逆的，施加电场于压电晶片，压电片便产生伸缩。 所以压电片可以反过来做“驱动器”。例如，对压 电晶片施加交变电压，则压电片可作为振动源，可 用于高频振动台、超声发生器、扬声器以及精密的 微动装置。压电加速度传感器
☻ 压电式传感器可以直接用于测量动态力、压力、位移、 振动加速度等，也可用于声学(包括超声)和声发射等 测量。
☻ 传感器的连接方式：在压电晶片的两工作面上进行金 属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，外接两个引出 线。
♣ 串接：（极距变大）传感器本身电容小， 输出电压大，适于以电压作输出信号。
♣ 并接：（极板面积变大）电容量大，输出电荷量大，适于以电
被测量 自源型
电量型传感器
电压/电荷
V/Q
电压放大器
电压
V1
（电荷放大器 ）
补偿电路
电压
Vo 指示 单元
电流 I
电流/电压 转换电路
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电量型传感器测量电路
有的电量型传感器是辅助能源型的，根据其辅助能源(电源或磁
源)是直流的或交流的，其测量电路略有不同，
☎ 如果是直流激励的传感器（如采用永久磁铁的磁电式传感器
☻ 主要性能特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成 熟，成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用；具 有热释电性。
③ 新型压电材料
☻ 新型压电材料常见的有压电半导体和有机高分子压电 材料。
☻ 压电半导体（piezoelectric semiconductor）：其显著特
点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。
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压电式传感器
1. 压电效应
☎ 压电效应：某些电介质物体在某方向受压力或拉力作
用产生形变时，表面会产生电荷；当外力撤消后，物体
又重新回到不带电状态，这种现象成为压电效应。当作
用力方向改变时，电荷极性随之改变，把这种机械能转
化为电能的现象称为“正压电效应”，简称压电效应。
极化面
F
Q dF
⑤ 电阻(resistance)：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(curie point)：压电材料开始丧失压电性的温度。
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压电式传感器
2. 压电材料
☎ 压电材料的分类：压电晶体(piezoelectric crystal)、 压电陶瓷(piezoelectric ceramics)、新型压电材料。
常用传感器
传感器定义、组成及分类 电参量型传感器 电量型传感器 光电式传感器 光纤传感器 数字式传感器
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电量型传感器
一．电压输出型传感器 二．电荷输出型传感器 三．电量型传感器测量电路
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电荷输出型传感器
被测量变化能引起传感器输出电荷或电流变 化的传感器统称为电荷输出型传感器。 电荷输出型传感器直接输出的是电量，后续 测量电路只需电荷放大器或电压放大器即可。 在此将重点介绍典型的电荷输出性传感器— —压电式传感器。
☻ 有机高分子压电材料：合成高分子聚合物（质轻柔软，
抗拉强度较高，蠕变小，耐冲击，热释电性和稳定相较好，便
于批量生产和大面积使用）；高分化合物掺杂压电陶瓷的高
分子压电薄膜（保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较
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压电式传感器
3. 压电传感器及其等效电路
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电量型传感器测量电路
电量型传感器直接输出电量(电压、电荷或电流)，有的传感 器是自源型的，直接输出对应于被测量变化的低频信号，如 热电偶和压电传感器，此时只需将信号经过必要的转换和信 号放大即可。
自源型电量型传感器测量电路框图如图所示。图中补偿电路 包括零点补偿电路、温度补偿电路、线性化补偿电路等等。
其输出电荷灵敏度为：
Q
Ca
ห้องสมุดไป่ตู้
Cc
Ci
kq
Q F
Ra
Ri
☻ 等效电压源：
压电元件
(a)电荷源等效电路
其输出电压灵敏度为：
Ca
ku
U F
Q Ca F
kq Ca
U
Ra
Cc
Ci
Ri
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压电元件
(b)电压源等效电路
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压电式传感器
4. 压电传感器的应用
☎ 压电式传感器的物理基础是正压电效应（压电效 应），根据压电敏感元件感受力的作用而产生的电 压或电荷的大小和极性，就可以确定作用力的大小 和方向。
☎ 压电器件实际上是一个电荷发生器，也可视为一
个电容器。
☻ 等效电容：
F 金属板
Ca 0 r A /
Ca 压电器件电容，A 极化面积
r 压电材料的相对介电常数 两极面间距离( 压电片厚度)
δ F
图3.61 压电元件
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压电式传感器
3. 压电传感器及其等效电路
☻ 等效电荷源：
② 弹性常数(elasticity constant)：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(dielectric constant)：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。
④ 机电耦合系数(machine-electrical coupling coefficient)：在 压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量 （如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量 转换效率的一个重要参数。
荷量作输出信号；时间常数大，宜于测量缓变信号。
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压电式传感器 4. 压电传感器的应用
☎ 压电式传感器的测量特点：测量静态或准静态量时，必
须采用极高阻抗的负载，以防止电荷经测量电路的漏失或使 之减小到最小程度；适于动态测量，如加速度传感器、振动 传感器等。
☎ 压电加速度传感器 ☻ 测量原理：
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压电式传感器
压电式传感器(Piezoelectric Sensor)是以具有压电效 应的压电器件为核心组成的传感器。
能实现机械能和电能的相互转换，是典型的双向能 量转换型传感器，故又称为自发电式和机电转换式 传感器。
应用其正压电效应可实现压力等非电量的电测量， 输出电荷量，是典型的电量型传感器；应用其逆压 电效应，可制成力发生器、位移驱动器等。
① 石英晶体（quartz，SiO2）
☻ 具有压电性的单晶体统称为压电晶体。单晶材料的压 电效应是由于这些单晶受外应力时内部晶格结构变形， 是原来宏观表现的电中性状态被破坏而产生电极化。 石英晶体是典型而常用的压电晶体。
☻ 主要性能特点：压电常数小，其时间和温度稳定性好; 机械强度和品质因数高，刚度大，固有频率高，动态 特性好;居里点573℃，无热释电性，且绝缘性好、重 复性均好。
S dtE S 机 械 应 变 ，E 电 场 强 度
dt 逆压电常数矩阵
☻具有压电性的电介质（压电材料），能实现机-电 能量的相互转换。
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压电式传感器
2. 压电材料
☎ 压电材料的主要性能参数：
① 压电常数(piezoelectricity constant)：衡量材料压电效应强 弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。
电压
电压
V1 补偿电路
V2 解调电路
电压 Vo 指示
单元
辅助能源
202（0/直交6/3流0 电源/磁源）
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Q 电荷，F 外力
F
图3.57 正压电效应原理图
d 压电常数矩阵。
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压电式传感器
1. 压电效应
☎石英晶体的三轴：
X轴—电轴。在垂直于此轴的面上压
电效应最强。
Y轴—机械轴。在电场作用下，沿该 轴方向的机械变形最明显。
Z轴—光轴，也称中性轴。光线沿该 轴通过石英晶体时，无折射，沿 该轴方向上没有压电效应。
和直流激励的霍尔式传感器），其输出为低频电压信号，只
需电压放大电路即可。
☎ 如果传感器是交流激励的（如交流励磁的磁电式传感器和压
磁式传感器、交流激励的霍尔式传感器），此时传感器本身
就相当于调幅器，输出调幅波，其测量电路除包括信号放大
电路外，还应有解调电路，
电压
被测量 辅助能源型 V
电压
电量型传感器
放大电路
☻ 极化处理（polarization） ：在一定温度下对材料施 加强直流电场，迫使“电筹”趋向外电场方向作规则 排列；极化电场去除后，趋向电筹基本保持不变，形 成很强的剩余极化，从而呈现压电性。
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压电式传感器
2. 压电材料
② 石英陶瓷(piezoelectric ceramics)