传感器与检测技术 ppt课件第五章

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5.4.3
集成压电传感器
随着现代微电子技术的发展，集成的压电传 感器已在工程中获得了广泛的应用。集成的 压电传感器是把压电传感器和前置放大器集 成在一起。集成的压电传感器有三种。一种 是内装式微型电荷或电压放大器的集成压电 传感器，一种是恒流源供电的集成压电传感 器；还有一种是恒压源供电的集成压电传感 器。
2.频率特性 3.精度 4.绝缘电阻
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5.3.2 压电式传感器的误差

1.环境温度的影响
2.环境湿度的影响 3.电缆噪声 4.接地回路噪声
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5.3 压电式传感器的应用
5.4.1 压电式加速度传感器

1.压电加速度传感器的结构类型及原理
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压电效应可逆性
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2.压电效应原理


具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电 陶瓷、高分子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二 氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六 角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和 z轴。 z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x 轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并 垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两 个相对的晶柱棱面。
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5.4.3
集成压电传感器
集成的压电传感器的优点是：
（1）集成了前置放大器，及相关电路，简化了 测量系统，降低了成本； （2）传输信号的电缆，不需采用专用的低噪声 同轴电缆，采用普通的电缆就能满足需要； （3）实现了信号的低阻抗输出，增强了测量系 统的抗干扰能力。
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结论

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。
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5.1.2 压电材料


石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是 性能优良的压电材料。 应用于压电式传感器中的压电元件材料 一般有3类：压电晶体、经过极化处理的 压电陶瓷、高分子压电材料。
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1.电压放大器

压电传感器的高频响应较好，通常用于 高频交变力的测量。电压灵敏度为
U im d Ku Fm Ca C
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2.电荷放大器

并联输出型压电元件可以等效为电荷源。 电荷放大器实际上是一个具有反馈电容 Cf的高增益运算放大器电路
电荷放大器原理图
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5.2 测量电路
5.2.1 压电晶片的连接
将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电 极后，就构成了压电元件。 5.2.2 等效电路 当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电 荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个 电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于 一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为
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石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振） 晶振
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石英晶体在振荡 电路中工作时，压电 效应与逆压电效应交 替作用，从而产生稳 16 定的振荡输出频率。
压电陶瓷外形
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高分子压电薄膜及拉制
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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5.1.2 压电材料
1．压电材料的要点


（5）时间稳定性。 （2）机械性能。 （3）电性能。 （4）环境适应性强 （1）转换性能。
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5.3 压电式传感器的应用
压缩式压电加速度传感器的结构图
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5.3 压电式传感器的应用
压缩式压电加速度传感器的结构图
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压电加速度传感器的结构原理图
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5.4.2 压电式压力传感器
压电式压力传感器主要由本体、弹性敏感元件 和压电元件组成，其结构简图如图所示
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5.3 压电式传感器的基本性能指标及误差

压电式传感器的基本性能指标包括灵敏 度、频率特性、精度和绝缘电阻等；而 这里介绍的误差是压电式传感器环境因 素的误差，主要是由环境温度、湿度以 及接线等引起的误差。
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5.3.1 压电式传感器的基本性能指标

1.灵敏度
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石英晶体及切片
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石英晶体的压电效应与其内部结构有关， 产生极化现象的机理可说明。 石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶 胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅 离子和两个氧离子交替排列（氧离子是 成队出现的）。 沿光轴看去，可以等效地认为正六边形 排列结构。
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压电式传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台 压电式纵跳 训练分析装置
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休息一下！！
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Ca
S
d

r 0 S
d
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压电元件的等效电路

压电元件等效为一个与电容相并联的电 荷源，也可以等效为一个与电容相串联 的电压源，
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5.2.3基本测量电路


压电式传感器的内阻很高，要求与高输 入阻抗的前置放大电路配合，与一般的 放大、检波、显示、记录电路连接，防 止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两 个：一是把传感器的高阻抗输出变为低 阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进 行放大。
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石英晶体的压电效应机理
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分析说明


Байду номын сангаас

（1）在无外力作用时 （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压 力时，晶格产生变形 （3）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 （4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受 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。
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结论

电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和 反馈电容有关，电缆电容等其他因素的 影响可以忽略不计。
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输出信号


根据压电式传感器的工作原理及等效电 路，它的输出可以是电荷信号，也可以 是电压信号，因此与之配套的前置放大 器也有电荷放大器和电压放大器两种形 式。 由于电压前置放大器的输出电压与电缆 电容有关，故目前多采用电荷放大器。
第5章 压电式传感器
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引言

压电式传感器的工作原理是基于某些介 质材料的压电效应，是典型的有源传感 器。当材料受力作用而变形时，其表面 会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工 作频带宽等特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、医 学、力学、宇航等方面都得到了非常广 泛的应用。
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主要章节

5.1 压电式传感器的原理及材料
5.2 压电式传感器测量电路 5.3 压电式传感器的基本性能指标及误 差 5.3 压电式传感器的应用
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5.1 压电式传感器的原理及材料
5.1.1 压电效应

1．压电效应的概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它 变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的 两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去 掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象 称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加 电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称 为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。