1.2 压电式传感器应用实训

1.2.1 实训目的

1. 掌握压电式传感器的结构、工作原理及特点；

2. 掌握压电式传感器的使用方法；

3. 了解压电式传感器测量振动的基本原理。

1.2.2 相关知识

压电式传感器是一种利用某些电介质材料具有压电效应现象制成的传感器。压电式传感器具有灵敏度高、频带宽、信噪比大、结构简单、工作可靠等优点，它可以测量压力、加速度、力矩等非电物理量。

1. 压电效应

压电材料受到外力作用产生变形，在表面上将产生电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当外力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为正压电效应。

若对压电材料施加一定电场，压电材料本身将产生机械变形，当外电场撤离后，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应。

2. 常用的压电材料

（1）压电晶体。

石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。石英晶体有三个晶轴：x轴（电轴）、y轴（机械轴）和z轴（对称轴），如图1.8所示。

“纵向压电效应”是沿x轴（电轴）方向的力作用下产生电荷的压电效应。其中，垂直于电轴的压电效应最明显。

“横向压电效应”是沿y轴（机械轴）方向的力作用下产生电荷的压电效应。其中，在逆压电效应时，沿着机械轴方向的机械变形最明显。

沿z轴（对称轴）方向受力时石英晶体不产生压电效应。

石英晶体的特点是居里点很高，温度稳定性很好，机械强度很高，性能稳定。石英晶体还具有绝缘性能好，动态响应快，固有频率高，迟滞小等优点，但它的压电常数小，灵敏度低，且价格较贵。

（2）压电陶瓷。

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它是一种经过极化处理的特殊陶瓷材料。因此，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是一种非压电体。

压电陶瓷具有良好的压电效应，灵敏度较高，因此，实际应用中的压电传感器大多采用压电陶瓷材料，但压电陶瓷的性能不够稳定，居里点较石英晶体要低。

（3）压电高分子材料。

压电高分子材料是一种新型的柔软压电材料，可以根据需要制成各种形状。它具有压电系数高，不易破碎，防水性好，成本较低，信号响应大等优点，但工作温度一般不能超过100℃，如果温度过高，其灵敏度将下降，性能变差。

3. 压电元件的等效电路

当压电元件受力时，在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；压电元件两极板间聚集电荷，中间为绝缘介质，因而它又相当于一个以压电材料为介质的电容器。因此，压电元件可等效为一个电荷源与一个电容器相并联的等效电路，如图1.9所示。

压电元件产生的电荷量很小，因此要选择合适的测量放大器才能测量出电荷量。

4. 常见的压电式传感器测量电路

（1）电荷放大器。

电荷放大器等效电路如图1.10所示，它的输出电压为：

电荷放大器的输出电压Uo仅与输入电荷量Q和反馈电容Cf 有关，与连接电缆的传输电容等因素无关。因此，更换连接电缆时不会影响传感器的性能。

（2）电压放大器。

图1.11所示为压电式传感器与电压放大器连接后的等效电路。

电压放大器输入端电压为：

式中，Fm为作用在压电元件的交变力最大值；Ca 为压电元件的固有电容；Cc 为导线的分布电容；Ci 为放大器的输入电容。

因此，放大器的输出与Ca、Cc、Ci 有关，与输入信号的频率无关。因此不能随便更换传感器的连接电缆，连接电缆的长度也不能太长，否则会影响灵敏度。

1.2.3 实训要求

1. 复习有关压电式传感器的工作原理、性能结构等特点。

2. 预习关于这个实训的相关内容，弄清原理，掌握操作要求和规范。

3. 完成所有实训内容，仔细测量每一个数据，作好记录，写出实训报告。

1.2.4 实训设备

传感器实验振动台一台、压电式传感器一个、压电式传感器实训模板一块、检波模板一块、低通滤波器模板一块、双踪示波器一台。

1.2.5 实训内容及步骤

1. 将压电式传感器装在振动台的台面上。

2. 将低频振荡器信号接入到台面振动源的低频输入源插孔。

3. 将压电式传感器的两个输出端插入到压电式传感器实训模板的两个输入端，如图1.12所示。将传感器外壳接地，将压电式传感器实训模板电路输出端UO1经电阻接入放大器IC2，将放大器输出端UO2接入低通滤波器输入端UI，将低通滤波器输出端与示波器相连。

4. 接通电源，调节低频振荡器的输出频率与幅度，使振动台产生振动，观察示波器波形。

5. 用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。

6. 改变低频振荡器频率，观察输出波形的变化。

7. 记录滤波前后的波形。

1.2.6 实训报告

1. 根据测量的数据填写表1.2。

2. 将滤波前波形与滤波后波形进行比较，分析两者之间的区别。

3. 为什么压电式传感器不能用于静态测量而只能用于动态测量，并且频率越高越好？