压电式力学传感器
基本原理
压电传感器：依据电介质压电效应研制的传感器
具有压电效应的晶体——压电晶体
具有压电效应的电介质材料——压电材料
电介质在外加电场下都可极化，其中二十种晶体结构可产生压电效应。
晶体结构中无对称中心是产生压电效应的必要条件
压电效应
正压电效应：指某些介质在力的作用下产生形变引起介质表面带电的现象
形变产生电
逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场是，电介质会发生形变，电场去掉后形变消失的现象。
电产生形变，电没了形变也没了
典型材料的压电效应
石英晶体：分为天然石英和人造石英
优点：
- 性能稳定，应用范围广
- 介电常数和压电常数的稳定性好，机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性范围宽。
结构：
六角形晶柱，两端六棱锥
缺点：
- 价格昂贵
- 压电系数比压电陶瓷低，常用于标准仪器或者要求较高的传感器中。
石英的压电效应
- 无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系
- 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在次方向上一定存在逆压电效应
- 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的
压电陶瓷
属多晶体，有电畴、畴壁组成。
压电陶瓷产生压电效应的原因 : 陶瓷内部存在自发极化
陶瓷内的极化电荷是束缚电荷不是自由电荷，不能自由移动。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大，所以采用压电陶瓷制作的压电传感器的灵敏度较高。
压电材料的特性
- 转换性能，有较大的压电常数
- 机械性能。机械强度高、刚度大
- 电性能。搞电阻率和大介电常数
- 环境适应性。
- 时间稳定性
等效电路与测量线路
等效电路
电荷等效电路、电压等效电路
电荷等效电路
压电传感器等效为一个电荷源与一个电容器并联
或者一个电压源与一个电容串联
电压等效电路
测量电路
要求：前置放大器的输入阻抗高
分类：电压放大器，电荷放大器
电压放大及其阻抗变换电路
RC并联 接放大器
测量原理：因陶瓷R再大也会漏电，则压电式传感器只能准确测量随时间变化的力。
压电式传感器具有相当好的高频响应特性
不能用于静态力的测量
电荷放大器电路
三个电容并联 接放大器，放大器与RC并联
等效电路图
压电式力传感器的主要性能
- 灵敏度
- 频率特性
压电式传感器的应用
- 压电式压力传感器
- 压电式加速度传感器
提高灵敏度的方法：增加压电片数目采用合理的连接方法
- 压电式流量计
作业
第九题
什么是压电效应、顺压效应和逆压效应？
什么是压电效应、顺压效应和逆压效应？
顺压电效应：介质在力的作用下产生形变，引起介质表面带电的现象
逆压电效应：介质在通电的情况下发生形变，断开电源形变恢复的现象
第十题
用压电式传感器能测量静态和变化很缓慢的信号吗？为什么？而其阻尼比较小，为什么可以响应很高频率的输入信号而失真很小？
用压电式传感器能测量静态和变化很缓慢的信号吗？为什么？
不能用于静态力的测量，因为当作用于压电元件的力为静态力的时候，前置放大器的输出电压为0，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉
而其阻尼比较小，为什么可以响应很高频率的输入信号而失真很小？
因为前置放大器的输入电压与频率无关
第十一题
压电式传感器中采用电荷放大器的有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关而与电荷灵敏度无关？
压电式传感器中采用电荷放大器的有何优点？
压电式传感器配用电荷放大器时，其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数Rf和Cf，其中Cf可以油所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下线介质频率fL时，反馈电阻Rf值也可以确定。便于设计电路。
为什么电压灵敏度与电缆长度有关而与电荷灵敏度无关？
电缆两线之间存在分布电容，会衰减输入电压信号，而电荷信号不会被衰减。