第六章 压电式与压磁式

当作用力 FX>0时， (P1+P2+P3)X<0; (P1+P2+P3)Y=0；(P1+P2+P3)Z=0 X轴正向出现负电荷； Y、Z轴方向不出现电荷；
同理晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似；
x方向 受压力
x方向 受拉力
y方向 受压力
y方向 受拉力
注：如果在片状压电材料的两个电极面上加以交流电， 则其将产生机械振动，即逆压电效应/电致伸缩现象。
当晶体被极化后，陶瓷片极化的两端还出现束缚 电荷，一端为正，另一端为负。 由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快 吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由 电荷数值相等，极性相反，对外不呈现极性。
q d 33F
四、压电传感器等效电路和测量电路
1.压电晶片的连接方式：
1）并联：用于电荷作为输出量场合，有利于准静态测量。 U’=U Q’=2Q 则C’=2C 这种联接，输出电荷大，本身电容大，允许被测对象变化频率 稍低。 2）串联：用于电压作为输出量场合。 U’=2U Q’=Q 则C’=（1/2）C 这种联接，输出电压大，本身电容小，要求后续电路有较大的 输入阻抗。
又称磁弹性传感器
测量电路
作用力
导磁率变化
电信号
特点：输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、 抗干扰性能好、过载能力强等。 使用：轧钢压力和钢板厚度的控制系统；
起重运输的过载包括控制系统；
动态车辆装载物料的测重系统。
一、压磁效应
在外力的作用下，引起铁磁材料内部发生应变，则 产生应力或应力的变化，使各磁畴之间的界线发生移 动，从而使磁畴磁化强度也发生相应的变化，这种现 象称之为压磁效应。 F ( ) RM Z或E 作用力引起导磁率发生改变的时候，作用力的作用 方向是有影响的。 若作用力是拉力，则在作用力方向上的导磁率提高， 垂直于作用力方向上的导磁率略有降低。 作用力是压力的话，效果相反。 2 2 B
三、压电陶瓷的压电现象
在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱无章的分布，他们 的极化效应相互抵消，呈中性，极化强度为零。 在外电场作用下，电畴的极化方向发生转动，转到与外电场一 致方向排列，从而使材料得到极化。 当外电场消除后，有剩余极化，它有较强的矫顽力，虽不规则， 但仍有向极化方向排列的趋势，极化强度不再为零。 当外界加力时，电畴界限移动，使极化强度变小，吸附在表面 的电荷被释放，产生放电现象。撤销压力，充电。 极化一般在高电压14KV/mm，经过几个小时才能完成。
2.压电材料简介
压电材料可以分为两类：压电晶体和压电陶瓷。
压电石英晶体 天然和人造石英晶体
压电陶瓷片 极化处理的 多晶系压电材料
特性：有较大的压电常数、机械性能优良、时间稳定 性和温度稳定性好，是理想的压电材料。
二、石英晶体的压电特性 如何施加外力呢？ 是否沿任意一个轴的方向施 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，为单晶体结构，俗称 加外力都会产生压电效应呢？ 水晶。它是一个正六面体，我们用直角坐标三个轴来表示： 光轴(Z轴)
一般放大器
压电传感器的测量系统 前置放大器的作用
阻抗变换作用：高阻抗输入低阻抗输出 放大传感器输出的微弱信号
电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 前置放大器
(阻抗变换器)
电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源
（1）电压放大器
①不能用于静态测量；② 压电传感器的高频特性好。 沿电轴方向施加交变力： F Fm sin t
对于压电晶体的要点提示：
（1）晶体不受力时，晶体表面不产生电荷； （ 2 ）沿晶体电轴（ x 轴）方向施加作用力，晶体表 面产生电荷，为纵向压电效应； （ 3 ）沿晶体机械轴（ y 轴）方向施加作用力，晶体 表面产生电荷，为横向压电效应； （ 4 ）沿晶体光轴（ z 轴）方向施加作用力，晶体表 面不产生电荷； （5）无论沿电轴还是机械轴方向施加作用力，都将 在与电轴垂直的平面上产生电荷。
并
联
串
联
2.压电传感器的等效电路
压电片相当于一只平行板介质电容器
Ce
A
d
电压源与电容 的串联
电荷源与电容 的并联
实际使用时，要考虑一些实际情况。这样，连接 电缆的等效电容 、放大器的输入电阻 和输入电容。
3.压电传感器的测量电路
输出阻抗很高 输出阻抗适当降低
压电传感器
前置放大器
要求：输入阻抗很高
理想状况下：
① 3 1 时，前置放大器输入电压随频率变化
不大；
② 3 时 ，可近似认为输入电压与作用力的
频率无关。
（2）电荷放大器： 是一个有反馈电容Cf 的高增益运算放大器。 电荷放大器的输出电压： 当A>>1，且
Aq U0 Ce Cc Ci (1 A)C f
第六章 压电式与压磁式传感器
第一节 压电式传感器
一、压电效应和压电材料
1.压电效应
对某些材料沿一定方向施力而使其变形，内部产 生极化现象，在其两表面将产生极性相反的电荷，当 外力去掉后，表面又回到不带电状态。这种现象就是 “顺压电效应”。反之，在这些材料一定的极化方向 施加电场，将会使其产生一定的机械变形，当外加电 场去掉后，其变形也随之消失。这种现象称之为“逆 压电效应”。
U0 时， q Cf
(1 A)C f 10(Ce Cc C f )
电荷放大器的输出 电压和电缆电容无 关，而且与q成正比。
五、应用举例
1.压电式测力传感器 （1）单向力传感器
（2）双向力传感器
（3）三向力传感器
2.压电式压力传感器

3.压电式加速度传感器
第二节 压磁式传感器
电轴(X轴)：经过棱线且垂直于Z轴 机械轴(Y轴) ：垂直于X轴和Z轴 纵向压电效应沿电轴X方向的力作 用下产生电荷的压电效应 横向压电效应沿力轴Y方向的力作
用下产生电荷的压电效应
沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。
注：晶体不受外力时，晶体表面不产生电荷。
当在电轴x方向施加作用力时，在与电轴垂直的平面上将产 生电荷，其大小为： qx d11Fx
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力，则仍在与电 轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为：
注：电荷产生的面
a a q y d12 Fy d11 Fy b b
石英晶体受外力作用时晶格的变化情况
当作用力FX=0时， P1+P2+P3=0 当作用力FX<0时， (P1+P2+P3)X>0 ;(P1+P2+P3)Y=0;(P1+P2+P3)Z=0 X轴正向出现正电荷；Y、Z轴方向不出现电荷；