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检测技术与仪表课程设计资料

摘要

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。

所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部产生极化现象，会在其表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后它又会恢复到不带电的状态，物体产生的电荷与外力成正比，电荷的极性随外力方向改变而变化，这种现象称为压电效应。

压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。

其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

压电传感器广泛应用在科学研究、教学试验上。

压电式传感器大致可以分为4种，即:

压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。

关键词：

压电效应；工作原理；组成结构；测量原理图；特性及参数选择；应用；发展趋势

目录

引言3

1压电效应及压电方程3

1.1压电效应3

1.2压电方程4

1.2.1第一类压电方程4

1.2.2第二类压电方程5

1.2.3第三类压电方程5

1.2.4第四类压电方程5

2压电材料6

2.1石英晶体6

2.2压电陶瓷7

3压力传感器测量电路7

3.1压电晶片连接方式7

4基本应用11

4.1加速度传感器12

4.1.1压电式加速度计的结构和安装12

4.1.2压电式加速计的灵敏度13

4.1.3常见性能参数14

5压电式加速计的实际应用14

6压电式传感器的发展趋势16

6.1压电式振动加速度传感器在航空发动机中的应用16

6.1.1压电式振动加速度传感器的主要特点17

6.2航空发动机测振用加速度传感器的发展趋势17

总结17

参考文献18

引言

背景介绍：

压电传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。

它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。

压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。

它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。

压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。

缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。

有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。

有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。

60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。

利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。

压电式传感器的应用:

压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

1压电效应及压电方程

1.1压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

1.2压电方程

压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。

但是由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片（振子）可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。

四类边界条件为：

1、电学边界条件：

电学边界条件分为短路和开路

短路：

两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电路处于短路状态。

这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持不变。

它的上标用E表示。

开路：

两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。

这时电极上的自由电荷保持不变，电位移保持不变。

它的上标用D表示。

2、机械边界条件;

机械边界条件分为自由和夹紧

自由：

用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自由的，片子可以自由变形。

它的上标用T表示。

夹紧：

用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，即片子的边界条件是机械夹紧的。

它的上标用S表示。

四类边界条件对应四类压电方程，根据不同的边界条件选择不同的压电方程。

1.2.1第一类压电方程

第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。

方程为：

式1

式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。

式中d为压电常数，dT—d的转置；s—弹性柔顺常数；ε—介电常数。

而εT和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时的弹性柔顺系数。

1.2.2第二类压电方程

湿敏元件比来表示灵敏度。

第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应用的就是这个方程）：

式2

式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e的转置。

εS为应变恒定时的介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路）的弹性刚度系数。

1.2.3第三类压电方程

第三类压电方程边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量：

式3

式中，β—自由倒介电常数；g—压电应变常数；gT—g的转置。

βT为恒应力作用下的介质的隔离率。

sD为恒电位移（开路）时弹性柔顺系数。

1.2.4第四类压电方程

第四类压电方程边界条件为机械夹持和电学开路，应变S和电位移D为自变量，应力T和电场强度E为因变量：

式4

式中，h—压电应力常数；ht—h的转置。

βS为恒应变下（夹紧）的介质隔离率；cD为恒电位移（开路）时弹性刚度系数。

理解并掌握了压电理论的基础知识、熟悉压电陶瓷的极化和压电方程等对于全面理解压电换能器的工作原理提供了相关的理论基础，因此是十分必要的。

压电材料

压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。

其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。

压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。

缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。

有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。

有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。

60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。

利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。

1.3石英晶体

典型的石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。

广义的石英还包括高温石英（b-石英）。

低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。

石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。

纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。

受压或受热能产生电效应。

当晶片在沿电轴，方向受力八时，在切片的表面，即与电轴垂直的平面上会产生电荷Qx，其大小为Qx

式5

式中Kx—x轴方向受力的压电系数，电荷Qx的符号由Fx受的是压力还是拉力而定。

如果在同一切片上沿机械轴方向受力F，时，慕电荷仍在与电轴垂直的平面上出现，但极性相反、此时电荷Qy为：

式6

式中Ky—y轴方向受力的压电系数；

l—晶体切片的长度；

h—晶体切片的厚度。

1.4压电陶瓷

压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料.与典型的不包含铁电成分的压电石英晶体的主要区别是:

构成其主要成分的晶相都是具有铁电性的晶粒.由于陶瓷是晶粒随机取向的多晶聚集体，因此其中各个铁电晶粒的自发极化矢量也是混乱取向的.为了使陶瓷能表现出宏观的压电特性，就必须在压电陶瓷烧成并于端面被复电极之后，将其置于强直流电场下进行极化处理，以使原来混乱取向的各自发极化矢量沿电场方向择优取向.经过极化处理后的压电陶瓷，在电场取消之后，会保留一定的宏观剩余极化强度，从而使陶瓷具有了一定的压电性质.

2压力传感器测量电路

压电晶片连接方式

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。

粘结的方法有两种，即并联和串联。

并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

式7

图

（1）

串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。

式8

图

（2）

图（3）

在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。

而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。

压电传感器等效电路

当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。

故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。

式9

当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为

式10

因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的

串联电路，如图（b）。

图（4）

图4压电传感器的等效电路

（a）电压源;（b）电荷源

实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。

当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图4-1所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。

这两种等效电路是完全等效的。

图（5）

图5压电传感器的完整等效电路

（a）电压源;（b）电荷源

利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。

而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

压电式传感器的测量电路

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。

（其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。

）

前置放