压电式传感器的前置放大器的作用

Q d 33 F
同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶 瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变 为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压 电效应。
压电陶瓷外形
7、高分子压电材料（PVDF）
PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体 的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、 温度、声和无损检测等。
5、石英晶体的压电效应
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在 晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴 Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X －X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴 （垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
Z
Y X X (a) (b)
图3-1-1 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系
PVDF有很好的柔性和加工性能，可制成有不同厚度 和形状各异的大面积有挠性的膜，适于做大面积的传感 阵列器件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频 带宽。
高分子压电薄膜及拉制
二、压电传感器的等效电路
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作 用时，在它的两个极面上出现等值反号的电荷。可把压 电传感器看成一个两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘 体的电容器，当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现 一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和 一个电容Ca的并联电路；也可等效为一个电压源Ua和一 个电容Ca的串联电路，如图3-1-4所示。
一、压电效应与压电材料
1、物性型传感器 利用材料的固态物理特性及效应实现非电量转换的传感器。 如压电式、霍尔式、光电式、光纤及激光传感器。 2、压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型 传感器)。它利用压电效应把非电量转换为电量。
力敏元件。凡是能够变换为力的物理量，如应力、压 力、加速度等，均可用其进行测量。 可逆型换能器。常用作超声波发射与接收装置
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第3章
物性型源自文库感器
掌握物性型传感器的基本特
性和工作原理、典型测量电路
了解其典型应用
第一讲


压电式传感器
一、压电效应与压电材料
二、压电传感器的等效电路 三、压电传感器的测量电路 四、压电传感器的结构形式 五、压电传感器的应用
当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向 上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应 力也随之消失的现象。
石 英 晶 体 的 压 电 效 应 演 示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
4、压电材料
有压电效应的物质很多，常见的有石英晶体，压电陶瓷，压电 薄膜等。压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。
对压电材料特性要求： ①转换性能。要求具有较大压电常数。 ②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、 刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分 布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的 居里点，获得较宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
d）
图3-1-4 压电元件的等效电路 a）原理图 b）电荷源 c）电压源 d）电路符号
传感器内部信号电荷无“漏损”， 外电路负载无穷大时，压电传感器受 力后产生的电压或电荷才能长期保存， 否则电路将以某时间常数按指数规律 放电。这对于静态标定以及低频准静 态测量极为不利，必然带来误差。事 实上，传感器内部不可能没有泄漏， 外电路负载也不可能无穷大，只有外 力以较高频率不断地作用，传感器的 电荷才能得以补充，因此，压电晶体 不适合于静态测量。
压电式传感器具有体积小，重量轻，精确度高和灵敏度高等优点。
3、压电效应
正压电效应（顺压电效应）：
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内 部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力 去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时， 电荷极性也随着改变。
逆压电效应（电致伸缩效应）：
可以看出，纵向压电效应与晶片的尺寸 无关。压电效应的方向如图3-1-2所示，当施 加压缩力时，在朝向x轴正方向的一面产生正 电荷，另一面则产生负电荷；当施加拉伸力 时，电荷的极性相反。
图3-1-2
2）横向压电效应
如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的平 面上，其电荷量为 l
Qxy d12 Fx
电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中
剩余伸长 (c)极化处理后
只有在一定的高温(100-170℃)下，对两个极化面加 高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩 余极化强度，当沿极化方向(定为z轴)施力时，则在垂直 于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q与 力成正比，即

d12 d11 , 为横向压电系数 , l、 分别为压电片的长度和 厚度
可以看出，横向 压电效应与晶片的几 何尺寸有关；横向压 电效应的方向与纵向 压电效应相反。 3）在光轴方向受力时不产生压电效应。 图3-1-3
6、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域， 它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个 电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电 陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 直流电场E 剩余极化强度
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
1）纵向压电效应 沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应。 当沿电轴方向施力Fx，在垂直于电轴的平面上产生 电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正 比，可表示为 Q d F
xx 11 x
其中d11 2.311012 C / N， 为纵向压电系数