Ca =
ε 0εS
δ
因此可以把压电式传感器等效成一个与电容 相并联的电荷源，如图所示，也可以等效为一个 与电容相并联的电压源，如图所示。
CaRLRLFra bibliotek其总 Ca 为电缆的分布电容， R i和Ci为测量放大器的输入电阻和输出电容， Ra 为内部存在的泄漏电阻。Cc为连接电缆电容
二、测量电路 由于需要压电元件的负载电阻要有极高的值， 需要前置放大器 前置放大器的作用： 第一 、把压电式传感器的微弱信号放大 第二、把传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出
得到输出电压
U0 = −
.
− jω A Q [G a + G i + (1 + A)G F ] + jω[Ca + Cc + Ci + (1 + A)CF ]
.
结论：
只要A足够大， 只要A足够大，压电元件本身的电容大小 和电缆长短将不影响或极少影响电荷放大 器的输出（突出优点）。 器的输出（突出优点）。
常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体 多 压电单晶体和多 压电单晶体 晶体压电陶瓷。 晶体压电陶瓷 1、单晶体 受外力作用时内部晶格结构产生变形，使原来 宏观表现的电中性被破坏而产生电极化。典型的代 表有：石英晶体和铌酸锂晶体
石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； 轴 电轴或 轴 Y轴：机械轴或 轴； 轴 机械轴或2轴 Z轴：光轴或 轴。 轴 光轴或3轴
三、压电元件常用结构形式
厚度变形（TE方式 方式） 1、厚度变形（TE方式）
该方向是石英晶体 的纵向压电效应，
2、长度变形 、 利用石英晶体的横 向压电效应
3、面剪切变形
－
＋ c面剪切变形
4、体积变形
5、压电组件的结构形式 、
δ
e
d
第二节
等效电路与测量电路
一、等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极 表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。 这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容 器，其电容量为
1、电压放大器
当作用在压电元件上为静态力时，前置放大器的 输出电压为零。决定了传感器不能测量静态量
结论： 结论： 压电式传感器的高频响应很好（突出优点）； 连接电缆不宜太长，不能随意更换； 提高放大器输入阻抗和绝缘电阻阻抗都困难； 引线要屏蔽；
2、电荷放大器 实际上是负反馈放大器
Rf Cf
N Q Ca Ra Cc Ri Ci
垂直于X轴的面上压电效应最强 沿着Y轴方向的机械变形最明显
纵向压电效应： 纵向压电效应：沿电轴（X轴）方向的力作 用下产生电荷压电式传感器主要是利用纵向压 电效应 横向压电效应： 横向压电效应：沿机械轴（Y轴）方向的力 作用下产生电荷（机械变形最明显）在光轴（Z 轴）方向时则不产生压电效应。
2.多晶硅 2.多晶硅 多晶硅是人工合成的压电陶瓷，其压电常数 为石英晶体的数倍，灵敏度高。 种类：钛酸钡压电陶瓷、镐钛酸铅系压电陶 瓷、铌镁酸铅压电陶瓷 压电聚合物PVDF 3、压电聚合物PVDF
一、*压电式加速度传感器的结构
组成： 1. 组成：质量块、硬弹簧、压电基片和基 座 1）质量块一般用体积质量 较大的材料制成。 2）硬弹簧的作用是对质量块 加载，产生预压力，保证 在作用力变化时晶片始终 受到压缩。 3）整个组件安装在一个厚基 座的金属壳中，隔离试件的 任何应变传递到压电元件上。
二 、*压电式测力传感器
逆压电效应
电能
正压电效应
机械能
图6-2 压电效应的可逆性
压电方程 当压电元件受到外力F作用时，在相应的表面 产生表面电荷Q 关系：
Q =dF
式中d是压电系数，对方向一定的作用力和一 定的产生电荷的表面,d是一个常数。
二、压电材料
明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料 压电材料。 压电材料 选择压电材料时应注意： 具有大的压电常数； 机械强度高、刚度大，以便获得高的固有振动频率； 高电阻率和大介电系数； 高居里点 温度、湿度和时间稳定性好。
1、单向力传感器 右图为用于机床动态切削 测量的单向压电石英力传 感器结构图。 用两块晶片作传感元件， 被测力通过传力上盖1使石 英晶片2受力，产生电荷， 两块晶片并联叠加，负电荷 由电极3 输出，正电荷一侧 与底座相连。
2、三向力传感器 可以测量空间任意一个或三个方向的力。 采用厚度压缩纵向压电效应来测量。 采用厚度剪 切变形。
第六章 压电式传感器
压电式传感器是以某些晶体受到力，其表 面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。 近年来压电测试技术发展迅速，特别是电 子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用 越来越广泛。
第一节 压电效应与压电元件
一、压电效应
某些物质沿某一方向受到外力作用时,会产 生变形,此时在这种材料的两个表面产生符号相 反的电荷,当外力去掉后,它又重新恢复到不带电 的状态,这种现象被称为压电效应.当作用力方向 改变时,电荷极性也随之改变.这种机械能转化为 电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效 应”。
注意： 注意：
电荷放大器虽然允许使用很长的电缆， 并且电容变化不影响灵敏度，但它比电压放 大器价格高，电路较复杂，调整也比较困难。
第三节
压电式传感器的应用
压电式传感器具有良好的高频响应特性、 量程大、结构简单、工作可靠、安装方便等优 点。目前已广泛应用于航空、航天、兵器、造 船、纺织、机械及机电等各个系统的振动、冲 击测试、信号分析、环境模拟试验等方面。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－ F
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ F
图6-1 正（顺）压电效应示意图 （即外力产生电荷的效应）
反之， 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场， 这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力； 当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。 这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应” “逆压电效应” 或“电致伸缩效应 电致伸缩效应”。 电致伸缩效应