传感器及其应用7

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图7 - 1 石英晶体切片

（a）完整的石英晶体（b）石英晶片切割（c）石英晶片

（1）石英晶体的结构

石英晶体是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图7 - 1（a）是天然晶体的外形图，它

图7 - 2 石英晶体的压电效应机理 （a ）未受力时的石英晶体 （b ）受x 方向压力时的石英晶体 （c ）受y 方向压力时的石英晶体1—正电荷等效中心 2—负电荷等效中心 当晶体沿电轴方向受到压力时，晶格产生变形，正、负电荷中心分离，形成电场。如果在x 上、下表面镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。 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，如图）所示。 而在光轴（z 轴）方向受力时，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。 在晶体的弹性限度内，在x 轴方向上施加压力F x 上时，x 面上产生的电荷为，式中，d 为压电常数。在y 轴方向施加压力时，在x 面上产生的电荷为 y F l

d Q δ-=

l 、δ 分别为石英晶片的长度与厚度。 从上式可见，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。 二、压电材料

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3 压电元件的等效电路图7 -

4 压电传感器实际等效电路

压电传感器与检测仪表连接时，还必须考虑电缆电容C c，放大器的输入电阻以及传感器的泄漏电阻所示为压电传感器完整的等效电路。

适用范围：

外力作用在压电传感元件上所产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，

测量回路具有无限大的内阻抗，这实际上是达不到的。因此，压电式传感器不能用于静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。

二、压电式传感器的测量电路

压电式传感器要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，然后再接一般的放大、

显示、记录电路。

．压电式传感器的前置放大器的作用

）把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出。

）把传感器的微弱信号进行放大。

．前置放大器的两种形式

电荷放大器和电压放大器。

f C Q

电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他压电式传感器的结构与应用

往往采用多片压电晶片粘贴在一起。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，b ）为等效电路图。其总面积及输仍等于单片电压U ，即 Q // =2Q 图7 – 6 压电晶体片并联等效电路 （a ）两块晶体片并联 （b ）等效电路 一、压电式力传感器

压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力换装置。常用的形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等所示的是YDS - 78型压电式单向力传感器的结构，它主要用于变化频率不太高的动态力的测量。被测力通过传力上盖使压电元件受压力作用而产生电荷。

图7 - 7 YDS - 78型压电式单向力传感器结构 —传力上盖 2—压电片 3—电极 4—电极引出插头 5—绝缘材料 图7 - 5 电荷放大器等效电路

图7 – 8 压电式加速度传感器

（a ）原理图 （b ）传感器结构图

—基座 2—引出电极 3—压电晶片 4—质量块 5—弹簧 6—壳体 7—固定螺孔 思考题与习题 7 - 6、7 - 7

1．压电元件的等效电路及压电传感器实际等效电路。2．电荷放大器的输出电压为

]

)1([f i c a o C A C C C Q

A U ++++-=3．电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关4．压电式传感器最常用的是两片结构，接法有串联和并联两种。

思考题与习题 7 - 4