第六章 压电式传感器
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工作原理
压电效应
正压电效应
对某些电介质沿一定方向施以外力使其产生形变时，其内部将产生极化，而使其表面出现电荷极距的现象，在外力去除之后会重新恢复到不带电状态，机械能转变成电能。
逆压电效应
当在片状压电材料的两个电极上面加交流电压，将导致压电片产生机械振动（在电极方向上产生伸缩变形）
压电效应具有可逆性
压电材料
石英晶体（单晶体）
- 光轴： 沿该轴不会产生压电效应
- 电轴： 该轴两个表面会产生电荷集聚
- 机械轴： 只产生形变，不会出现电荷集聚
压电陶瓷（多晶体）
人工制造的多晶体压电材料。
在没有外电场时，内部电畴杂乱分布，各自极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为0。
施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料极化
当外电场强大到使材料的极化达到饱和程度时，当外电场去掉后，剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。
具有剩余极化的压电陶瓷受到外力作用时，在垂直于极化方向的平面上出现点和集聚的变化，产生正压电效应。
集聚的电荷量的大小与外力成正比
压电陶瓷的压电系数比石英晶体大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电传感器的灵敏度较高
选取压电材料的指标：转换性能、机械性能、电性能、温度湿度稳定性好、时间稳定性
压电式传感器等效电路
压电式传感器可以等效为一个电容，正负电荷集聚的两个表面相当于电容的两个极板
压电式传感器的测量电路
压电式传感器本身阻抗很高，输出能量小，需要在测量电路中加一个高输入阻抗的前置放大器。其作用：
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- 把高输入阻抗转化为低输出阻抗
- 对传感器输出的微弱信号进行放大
压电元件的连接与变形
单片压电元件产生的电荷量甚微，为提高输出灵敏度，常采用多片同型号的压电元件粘结在一起。
如图a所示，相当于并联接法，在外力作用下正负极电荷量增加了一倍，电容量也增加了一倍，但输出电压与单片时相同。
如图b所示，相当于串联接法，电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了一倍。
压电式传感器的应用
压电式力传感器
可以用于机床动态切削力的测量
压电式加速度传感器
压电式交通检测
