……………壓電式傳感器傳感器技術與應用武漢職業技術學院

熊曉倩課程內容CONTENTS壓電式傳感器結構03壓電效應01應用舉例05壓電材料02應用電路04一、壓電效應

某些晶體或有機薄膜，當沿著一定方向受到外力作用時，內部極化，某兩個面產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態，當作用力方向改變時，電荷的極性也改變，晶體受力所產生的電量與外力的大小成正比，即：

上述現象稱正壓電效應。

反之，如對晶體施加一交變電場，晶體本身將產生變形，此稱電致伸縮現象，也稱逆壓電效應。二、應變效應—工作原理力電量形變二、應變效應—工作原理

（a）材料受壓（b）材料受拉（c）材料受壓

（d）材料受拉作用力的方向不同，產生電荷的方向也不同；力的作用面不同，產生的電荷方向也不同；a，b中產生的電荷比c，d中產生的多（各向異性）。二、壓電材料1.石英晶體

分人工石英和天然石英。它們是單晶中使用頻率最高的一種傳感器。其特點是介電和壓電常數的溫度穩定性好，如下圖所示。適用的工作溫度范圍寬，動態響應快，機械強度大，彈性系數高，穩定性好。（a）壓電常數與溫度的關系

（b）介電常數與溫度的關系（ａ）天然石英晶體

（b）石英晶體薄片二、壓電材料2.壓電陶瓷

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。

電疇是分子自發形成的區域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。

在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零，經過人工極化后，保留很強的剩余極化的情況下才能作為壓電材料使用。（c）壓電陶瓷二、壓電材料3.有機高分子薄膜

有機壓電薄膜隨著科技的進步發展也較快。它既具有高分子材料的柔軟性又具有壓電陶瓷的特性，可以做成較大面積，主要用于微壓測量和機器人的觸覺。（d）高分子壓電薄膜三、壓電傳感器的結構

壓電傳感器是一種有源傳感器，同時又是一個電容器，其結構如圖

實際應用中常將兩個以上晶片進行串聯或并聯，就如同將兩個電容器串聯和并聯一樣。

串聯輸出的電壓高，自身電容小；并聯輸出電荷量大，電容量大。四、應用電路

由于壓電傳感器產生的電量非常小，且內阻極高，就要求測量電路的輸入電阻盡量大，這樣才能減小測量誤差，因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。（a）電荷源等效電路

（b）電壓源等效電路

前置放大器有兩個作用：第一是將壓電傳感器的輸出信號放大；第二是將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。壓電式傳感器電荷放大電路（a）等效電路

（b）簡化電路五、應用舉例1、加速度傳感器

壓電式加速度傳感器結構如圖所示。

主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成，整個部件裝在外殼內，并用螺栓加以固定。五、應用舉例

當壓電式加速度傳感器和被測物體一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力F是加速度a的函數，即F=ma五、應用舉例

慣性力F作用于壓電元件上而產生電荷q，當傳感器選定后，質量塊的質量m為常數，則傳感器輸出電荷q為q=d11F=d11ma五、應用舉例2.壓電式傳感器再測漏中的應用

如果地面下一均勻的自來水直管道某點O漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發出的振動信號所用的