传感器与检测技术
课程论文
2014年6月27日
【摘要】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，从而实现非电量的测量。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。
本文介绍了压电式传感器的原理、测量电路并列举了重要应用
【关键词】压电传感器，压电效应，测量电路，应用
【引言】压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里
兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。
一、压电原理和基本特性
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，是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，气表面会有电荷产生而实现非电量测量。
压电式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。
压电式传感器是以具有压电效应的器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有顺、逆两种效应，所以压电器件是一种典型的双向有源传感器。基于这一特性，压电器件已被广泛应用于超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微波等技术相结合，将成为发展新技术和高科技的重要条件”。
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。
二、压电传感器的分类
按压电介质可分为三类，分别是石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。
1.石英晶体
石英晶体是一种天然形成的性能极为优异的单晶体压电材料。它具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低(在20-200℃时，仅为-0.0001/摄氏度 )等特点，广泛用于制作标准传感器以及高精度传感器。 2.压电陶瓷
压电陶瓷是一种人工合成的多晶体压电材料，内部具有大址微观
极化区。无外电场作用时，各极化区在晶体中呈杂散状、极化方向各异。因此压电陶瓷平时呈电中性。当施加外电场时，极化方向统一。
些自由电子和失去电子显正电性的原子核在外电场作用下逐渐形成内部微弱势垒电场。从电工学理论可知，微观上所谓势垒电场就是“两侧堆积电性各异电子组成的作用范围”，宏观上表现为压电陶瓷表面呈现大量电荷。
压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极化区仍存有很强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能产生电荷。换句话说，压电陶瓷也具有压电效应。常用的压电陶瓷有钻钦酸铅系列压电陶瓷(PZT)、非铅系压电陶瓷等。 3.高分子压电材料
高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。它的特点是压电常数较高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的压电常数比压电陶瓷高十几倍，其输出脉冲电压可直接驱动 CMOS集成门电路。这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。另外，价格便宜，不易破碎，具有防水性。其测量范围可达80dB,频响范围从0.1Hz直至10九次方Hz。可见它是一种较为理想的电声材料。 高分子压电材料的工作溢度适用范围为100℃以下，机械强度较低，不耐紫外线照射。
三、原理简介
Ca uaqCa (a)(b)压电传感器的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 Ca UaRaCcRiCiqCeRaCcRiCi (a)(b)压电传感器的完整等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 压电式传感器的测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器） CaCaA uaRCu eeRiCiouaRCui (a)(b)压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路 在图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的作用，则其电压为 U?a?dFmCsin?t?Umsin?ta
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