项目六、压电式传感器

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Δ复习上节课内容：（略）

Δ概述

1880年著名物理学家比埃尔•居里发现了晶体的压电效应，但压电效应的定量数据的获得，是严济慈深入研究并精确测量给出的。

压电传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当介质材料受力作用而变形时，其表面会产生电荷，由此而实现非电量测量。压电传感器体积小，重量轻，工作频带宽，是一种力敏传感器件，它可测量各种动态力，也可测量最终能变换为力的那些非电物理量，如压力、加速度、机械冲击与振动等。

一、基本工作原理

（一）、压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上会产生异号电荷，当外力消失后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷极性也随之改变。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会发生变形，这种现象称为逆压电效应（或电致伸缩效应）。压电式力传感器都是利用压电材料的正压电效应。

（二）、压电材料

自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分明显的并不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。

1. 石英晶体

天然石英(SiO2)晶体如图所示，它是一个正六面体，在它上面有三个坐标轴。石英晶体中

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间棱柱断面的下半部分，其断面为正六面形。z轴是晶体的对称轴，称它为光轴。在该轴方向没有压电效应，x轴称为电轴，垂直于x轴晶面上的压电效应最显著；y轴称为机械轴，在电场的作用下，沿此轴方向的机械变形最显著。如果从石英晶体上切割出一个平行六面体，如图所示，称为压电晶片，在垂直于光轴的力（Fy或Fx）作用下，晶体会发生极化现象，并且其极化矢量是沿着电轴(x轴)。即电荷出现在垂直于电轴(x轴)的平面上。

在沿着电轴x方向力的作用下，产生电荷的现象称为纵向压电效应；而把沿机械轴 y方向力的作用下，产生电荷的现象称为横向压电效应。当沿光轴z 方向受力时，晶体不会产生压电效应。在压电晶片上，产生电荷的极性与受力的方向有关系。上图给出了电荷极性与受力方向的关系。若沿晶片的x轴施加压力Fx，则在加压的两表面上分别出现正负电荷，如图（a）所示。若沿晶片的y轴施加压力Fy时，则在加压的表面上不出现电荷，电荷仍出现在垂直x轴的表面上，只是电荷的极性相反，如图（c）所示。若将x 、y轴方向施加的压力改为拉力，则产生电荷的位置不变，只是电荷的极性相反。如图（b）、（d）所示。值得注意的是纵向(x方向)压电效应与元件尺寸无关，而横向(y方向)压电效应与元件尺寸有关。

2. 压电陶瓷

与石英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，属于铁电体一类的物质。需要受到极化后才具有压电效应。

压电陶瓷内部的晶体有有一定的极化方向，从而存在一定电场。在无外电场作用时，原始的压电陶瓷内极化强度为零，呈电中性，不具有压电特性。在陶瓷上施加外电场时，材料得到极化。外电场越强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场去掉时，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。

极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时。电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。如图所示，即极化面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系。

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二．压电式传感器的测量电路

1．压电式传感器的等效电路

由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负的电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为

因此，压电传感器可以等效为一个与电容器C a串联的电压源Ua，如图（a）所示；也可以等效为一个与电容器并联的电荷源q，如图（b）所示。电压U a，电荷量q和电容量C a这三者

的关系为

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常用的前置放大器主要有电压放大器和电荷放大器两种类型。

（1）电压放大器(略)

（2）电荷放大器

如图，电荷放大器等效电路所示，电荷放大器实际上是一个具有反馈Cf的高增益运算放大器电路。当放大器的电压放大倍数A远远大于1时，经推导可得

2、压电元件结构及组合形式

压电传感器中，为了提高灵敏度，压电材料通常采用两片或两片以上黏合在一起。因为电荷的极性关系，电元件有串联和并联两种接法，图(a)为并联，适用于测量缓慢变化的信号，并以电荷为输出量；图(b)为串联，适用于测量电路有高输入阻抗，并以电压为输出量。

下图给出了压电元件的结构与组合形式。按压电元件形状分，有圆形、长方形、片状形、柱形和球壳形；按元件数分，有单晶片、双晶片和多晶片；按极性连接方式分，有串联如图 (a) 所示，和并联如图 (f) (i)所示。

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3、压电式传感器主要应用类型(见P50)

三、压电式传感器及其应用

(1) 压电式力传感器

压电式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－电转换装置。

(2) 压电式加速度传感器

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数

(3) 压电式金属加工切削力测量传感器

由于压电陶瓷元件的自振动频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出。

(4) 压电式玻璃破碎报警器

它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把震动波转换成电压输出，输出电压经过放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

(5)雨滴传感器

振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，压电元件把从振动板传递来的变形传换成电压。

(6) 血压计传感器

电子血压计通过在捆扎布内部安装的传感元件，把血液流过血管中产生的“克隆脱克泼”音变换成电信号。

(7) 乐器传感元件

乐器传感元件如图所示。把压电元件特殊的阻尼材料夹住，存放在一个外壳中。由于压电元件的衰减时间快，固有共振频率低，因此能够得到清楚而柔和的回授音，右图是元件的频率特性。传感器安装在吉他的躯体部位是，由于能够检测到弦振动引起的躯体的共振，经放大从