壓電傳感器參考課件

1、壓電傳感器參考課件 是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下， 在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能 變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比 大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由 于電子技術(shù)的飛速發(fā)展

2、，隨著與之配套的二次儀表以及于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及 低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感 器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石 油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣 泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。 第四節(jié)第四節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電傳感器參考課件 一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著 一定方向一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)

3、，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，對(duì)其施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在它的同時(shí)在它的一定表面一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重 新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷 極性也隨著改變。極性也隨著改變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化極化 方向方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變上產(chǎn)生機(jī)械變 形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也 隨之消失的現(xiàn)象。隨之

4、消失的現(xiàn)象。 電能電能機(jī)械能機(jī)械能 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 壓電傳感器參考課件 （一）石英晶體的壓電效應(yīng)（一）石英晶體的壓電效應(yīng) 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體 學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸Z Z稱為稱為光軸光軸；經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的；經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的XX 軸稱為軸稱為電軸電軸；與；與XX軸和軸和ZZ軸同時(shí)垂直的軸同時(shí)垂直的YY軸軸 （垂直于正六面體的棱面）稱為（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸機(jī)械軸。 Z X Y (a)

5、(b) 石英晶體 (a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系 Z Y X 通常把沿電軸通常把沿電軸XX方向方向 的力作用下產(chǎn)生電荷的的力作用下產(chǎn)生電荷的 壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)稱為“縱向壓縱向壓 電效應(yīng)電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械，而把沿機(jī)械 軸軸YY方向的力作用下方向的力作用下 產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱 為為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”， 沿光軸沿光軸ZZ方向受力則方向受力則 不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電傳感器參考課件 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。 組成石英晶體的硅離子組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子和氧離子O2-在

6、在Z平面投影，平面投影， 如圖如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b) 中正六邊形排列，圖中中正六邊形排列，圖中“”代表代表Si4+，“”代表代表 2O2-。 (b)(a) + + - - - Y X X Y 硅氧離子的排列示意圖 (a) 硅氧離子在Z平面上的投影 （b）等效為正六邊形排列的投影 + 壓電傳感器參考課件 當(dāng)作用力當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子時(shí)，正、負(fù)離子 （即（即Si4+和和2O2-）正好分布在正六邊形）正好分布在正六邊形 頂角上，形成三個(gè)互成頂角上，形成三個(gè)互成120 夾角的偶夾角的偶 極矩極矩P1、P2、P3，如圖（，如

7、圖（a）所示。此）所示。此 時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢偶極矩的矢 量和等于零，即量和等于零，即 P1P2P30 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（方向的壓力（FX0 在在Y、Z方向上的分量為方向上的分量為 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電軸的正向出現(xiàn)正電 荷，在荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。軸方向則不出現(xiàn)電荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + FX (b) FX0 + + + - - - P1 P2 P3 壓電傳感器參考課件

8、可見(jiàn)，當(dāng)晶體受到沿可見(jiàn)，當(dāng)晶體受到沿X(電軸電軸)方向的力方向的力FX作用時(shí)，它在作用時(shí)，它在X 方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 晶體在晶體在Y軸方向力軸方向力FY作用下的情況與作用下的情況與FX相似。當(dāng)相似。當(dāng)FY0 時(shí)，晶體的形變與圖（時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)）相似；當(dāng)FY0時(shí)，則與圖時(shí)，則與圖 （c）相似。由此可見(jiàn)，晶體在）相似。由此可見(jiàn)，晶體在Y（即機(jī)械軸）方向的力（即機(jī)械軸）方向的力 FY作用下，使它在作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向方向 則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

9、 （P1+P2+P3）X0 Y + + + - - X - + + + FX FX P2 P3P1 + 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用時(shí)，其變化）作用時(shí)，其變化 情況如圖（情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為 在在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。方向則不出現(xiàn)電荷。 壓電傳感器參考課件 晶體在晶體在Z軸方向力軸方向力FZ的作用下，因?yàn)榫w沿的作用下，因?yàn)榫w沿X方向和方向和 沿沿Y方向所產(chǎn)生的方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷完全相同，所以，正、負(fù)電荷 中心保持重合，電偶極矩矢量和等

10、于零。這就表明，沿中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿 Z(即光軸即光軸)方向的力方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切晶體切 片，使它的晶面分別平行于片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂軸，如圖。并在垂 直直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當(dāng)晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X軸方向軸方向 的壓縮應(yīng)力的壓縮應(yīng)力XX作用時(shí)，晶作用時(shí)，晶 片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā) 生極化現(xiàn)象。在晶體線性生極化現(xiàn)象。在晶體線

11、性 彈性范圍內(nèi)，彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度PXX 與應(yīng)力與應(yīng)力XX成正比，成正比，即即 Z Y X b l 石英晶體切片 t 壓電傳感器參考課件 式中式中 FXX軸方向的電場(chǎng)強(qiáng)度；軸方向的電場(chǎng)強(qiáng)度； d11壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也 不同，石英晶體不同，石英晶體d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。 極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即 式中式中 q qX X垂直于垂直于X X軸平面上的電荷。軸平面上的電荷。 將上兩式整理，得將上兩式

12、整理，得 lb F ddP X XXXX1111 lb q P X XX 式中式中 電極面間電容。電極面間電容。 XX Fdq 11 X X X X X C F d C q U 11 t lb C r X 0 其極間電壓為其極間電壓為 壓電傳感器參考課件 根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即 或用應(yīng)變表示，則或用應(yīng)變表示，則 式中式中 EXX軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度。 在在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向軸正向 帶正電；如果作用力帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于改為拉力，則在垂直

13、于X軸的平軸的平 面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見(jiàn)圖面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見(jiàn)圖( (a) )、( (b) )。 X X Ed t U d t t 1111 FXFX + + + + + + (a)(b) XX t=d11UX 壓電傳感器參考課件 如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其 電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（c）、）、 （d），此時(shí)電荷的大小為），此時(shí)電荷的大小為 + + + + + + + + (c)(d) FY FY XX YYXY F t l dF tb lb dq 1

14、212 式中式中 d12石英晶體在石英晶體在Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。 根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：d11=d12，則上式為，則上式為 式中式中 t晶片厚度。晶片厚度。 則其極間電壓為則其極間電壓為 YXY F t l dq 12 X Y X XY X C F t l d C q U 11 壓電傳感器參考課件 根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即 或用應(yīng)變表示或用應(yīng)變表示 由上述可知：由上述可知： 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與 電荷（或電

15、場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上 一定存在逆壓電效應(yīng)；一定存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 X U t l dl 11 X Ed l l 11 壓電傳感器參考課件 （二）（二） 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多 晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。 電疇是分子自發(fā)

16、形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從 而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶 體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始 的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見(jiàn)圖（的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見(jiàn)圖（a）。）。 直流電場(chǎng)E 剩余極化強(qiáng)度 剩余伸長(zhǎng) 電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng) (a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 壓電傳感器參考課件 但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí) ，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部

17、存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘?，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘?瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即的形式表現(xiàn)出來(lái)，即 在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷 。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一 層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束 縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片 內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表

18、不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片 內(nèi)的極化程度，如圖。內(nèi)的極化程度，如圖。 自由電荷 束縛電荷 電極 電極 極化方向 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附 的自由電荷示意圖 壓電傳感器參考課件 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F， 如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、 負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此， 原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出

19、現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀( (這是這是 一個(gè)膨脹過(guò)程一個(gè)膨脹過(guò)程) )，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大， 極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而 出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。 極化方向 正壓電效應(yīng)示意圖 （實(shí)線代表形變前的情況，虛線 代表形變后的情況） F 壓電傳感器參考課件 同樣，若在陶瓷片上加一

20、個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)， 如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電 場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛 電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生 伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與 極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這 種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能

21、轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械 能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)示意圖 （實(shí)線代表形變前的情況， 虛線代表形變后的情況） 極化 方向 電場(chǎng)方向 壓電傳感器參考課件 由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶 瓷內(nèi)部存在瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理 而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果 外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化

22、強(qiáng)度發(fā) 生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶 瓷內(nèi)的瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束，而不是自由電荷，這些束 縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電 現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上 自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。 壓電傳感器參考課件 二、壓電材料二、壓電材料 種類種類： n壓電晶體，如石英等；壓電晶體，如石英等； n壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶

23、瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； n壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。 對(duì)壓電材料特性要求：對(duì)壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī) 械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有 振動(dòng)頻率。振動(dòng)頻率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減 弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度

24、和濕度穩(wěn)定性要好，要求具環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具 有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。 時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 壓電傳感器參考課件 （一）（一） 石英晶體石英晶體 石英（石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。 其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范 圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見(jiàn)，在由圖可見(jiàn)，在20200范圍內(nèi)，

25、溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1， 壓電系數(shù)僅減少壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)?。但是?dāng)?shù)?73時(shí)，它完全失時(shí)，它完全失 去了壓電特性，這就是它的去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)居里點(diǎn)。 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 20406080 100 120 140 160 180 200 dt / d20 斜率： 0.016/ t 石英的d11系數(shù)系數(shù)相對(duì)于20的d11溫度變化 特性 6 5 4 3 2 1 0 100 200 300400 500 600 t/ 相 對(duì) 介 電 常 數(shù) 居里點(diǎn) 石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) 的溫度特性 壓電傳感器參考課件 石英晶

26、體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高， 絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù) 比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較或要求較 高的傳感器中。高的傳感器中。 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向 切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特 性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同

27、使用要求正確地選擇石英片的切型。使用要求正確地選擇石英片的切型。 石英晶片的切型符號(hào)表示方法：石英晶片的切型符號(hào)表示方法： uIRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)表示法；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)表示法； u習(xí)慣符號(hào)表示法。習(xí)慣符號(hào)表示法。 壓電傳感器參考課件 IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)包括一組字母（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)包括一組字母（X、Y、Z、 t、l、b）和角度。用）和角度。用X、Y、Z中任意兩個(gè)字母的中任意兩個(gè)字母的先后排先后排 列順序列順序，表示石英晶片，表示石英晶片厚度厚度和和長(zhǎng)度長(zhǎng)度的的原始方向原始方向；用字母；用字母 t（厚度）、（厚度）、l（長(zhǎng)度）、（長(zhǎng)度）、b（寬度）表示旋轉(zhuǎn)軸的位置。（寬度）表示旋

28、轉(zhuǎn)軸的位置。 當(dāng)角度為正時(shí)當(dāng)角度為正時(shí), ,表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)角度為負(fù)時(shí)表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)角度為負(fù)時(shí), ,表示順表示順 時(shí)針旋轉(zhuǎn)。例如：時(shí)針旋轉(zhuǎn)。例如：( (YXl) )35 切型，其中第一個(gè)字母切型，其中第一個(gè)字母Y表表 示石英晶片在原始位置示石英晶片在原始位置( (即旋轉(zhuǎn)前的位置即旋轉(zhuǎn)前的位置) )時(shí)的厚度時(shí)的厚度 Z Z O O Y Y Z X X 35 (a)(b) （YXl）35切型 （a）石英晶片原始位置 （b）石英晶片的切割方位 沿沿Y軸方向，第二個(gè)字母軸方向，第二個(gè)字母 X表示石英晶片在原始位表示石英晶片在原始位 置時(shí)的長(zhǎng)度沿置時(shí)的長(zhǎng)度沿X軸方向，軸方向， 第三個(gè)字母第三個(gè)字母

29、l和角度和角度35 表表 示石英晶片繞長(zhǎng)度逆時(shí)示石英晶片繞長(zhǎng)度逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn)針旋轉(zhuǎn)35 ，如圖。，如圖。 Y 壓電傳感器參考課件 又如（又如（XYtl）5 /- -50 切型，它表示石英晶片原始位置的切型，它表示石英晶片原始位置的 厚度沿厚度沿X軸方向，長(zhǎng)度沿軸方向，長(zhǎng)度沿Y軸方向，先繞厚度軸方向，先繞厚度t逆時(shí)針旋逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)5 ，再繞長(zhǎng)度，再繞長(zhǎng)度l順時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)50 ，如圖。，如圖。 習(xí)慣符號(hào)表示法是石英晶體習(xí)慣符號(hào)表示法是石英晶體特有特有的表示法，它由兩的表示法，它由兩 個(gè)大寫(xiě)的英文字母組成。例如，個(gè)大寫(xiě)的英文字母組成。例如，AT、BT、CT、DT、 NT、MT和和FC等。等。

30、O O 50 Z Z Z Y Y 5 Z X Y (a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位 壓電傳感器參考課件 （二）（二） 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCO3） ）和二氧化 和二氧化 鈦（鈦（TiO2）按）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石 英晶體的英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120），）， 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。溫度穩(wěn)

31、定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。 2 2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb （Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里 溫度在溫度在300以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間 穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量 元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能 的的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電

32、式傳材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳 感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 壓電傳感器參考課件 4、壓電半導(dǎo)體材料、壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件具有靈，這種力敏器件具有靈 敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波作為表面聲波 振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。 3 3、壓電聚合物、壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng) 的的聚合物薄膜聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，

33、這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看， 不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存結(jié)構(gòu)，存 在抵消不了的在抵消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸鏈軸 成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶自發(fā)極化偶 極子極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成 為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并 容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、容易制成大面積壓電元件。這種

34、元件耐沖擊、不易破碎、 穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電 陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料( (PVF2PZT) )。 壓電傳感器參考課件 三、三、 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 （一）等效電路（一）等效電路 當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作 用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電 荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a) )。

35、也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的 電容器電容器，如圖，如圖( (b) )。其電容量為。其電容量為 q q 電極 壓電晶體 Ca (b) (a) 壓電傳感器的等效電路 t S t S C r a 0 當(dāng)兩極板聚集異性電荷當(dāng)兩極板聚集異性電荷 時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定 的電壓，其大小為的電壓，其大小為 a a C q U 壓電傳感器參考課件 因此，壓電傳感器可等因此，壓電傳感器可等 效為電壓源效為電壓源U a和一個(gè)電 和一個(gè)電 容器容器C a的 的串聯(lián)串聯(lián)電路，如電路，如 圖圖(a)；也可等效為一個(gè)；也可等效為一個(gè) 電

36、荷源電荷源q和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ca 的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖(b)。 q Ca Ua Uaq/ Ca q UaCa Ca （a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路 壓電傳感器等效原理 傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)， 壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否 則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo) 定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí) 上，傳感器內(nèi)部

37、不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能 無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電 荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。 壓電傳感器參考課件 如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí)如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮則應(yīng)考慮 連線的等效電容連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。前置放大器的輸入電阻、輸入電容。 CaRaCcRi Ci q 壓電傳感器的壓電傳感器的 完整等效電路完整等效電路 Ca傳感器的固有電容傳感器的

38、固有電容 Ci 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容 Cc 連線電容連線電容 Ra傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻 Ri前置放大器輸入電阻前置放大器輸入電阻 可見(jiàn)，壓電傳感器的絕緣電阻可見(jiàn)，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電與前置放大器的輸入電 阻阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或 準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013以以 上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要 求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦求。與

39、上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦 即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信 號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 壓電傳感器參考課件 （二）（二） 測(cè)量電路測(cè)量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用： u把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出； u放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。 前置放大器形式：前置放大器形式： u電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出，其輸

40、出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出 電壓）成正比；電壓）成正比； u電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1 1、電壓放大器、電壓放大器 AA Ca Ca RaRiCi Cc C R UiUSC USC Ua (a)(b) Ua 壓電傳感器參考課件 圖（圖（b）中，等效電阻）中，等效電阻R為為 ia ia RR RR R a a C q U tFF m sinFm作用力的幅值作用力的幅值 壓電元件所受作用力壓電元件所受作用力 C=Cc+Ci 而而 等效電容為等效電容為 若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33，則

41、在外，則在外 力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為 a m a m C Fd C q U 33 tUU ma sin Um電壓幅值電壓幅值 a i CCRj Rj FdU 1 33 由圖由圖(b)可得放大器輸入端的電壓可得放大器輸入端的電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為 壓電傳感器參考課件 2 22 33 1 ica m im CCCR RFd U Ui的幅值的幅值Uim為為 ica CCCR arctan 2 ica mm im CCC FdRFd U 33 2 0 33 1 輸入電壓與作用力之間的相位差輸入電壓與作用力之間的相位差為為 令令=R(Ca+Cc+C

42、i)，為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，并令為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，并令 0=1/，則可得，則可得 可見(jiàn)，如果可見(jiàn)，如果/01，即作用力變化頻率與測(cè)量回路時(shí)，即作用力變化頻率與測(cè)量回路時(shí) 間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)。前置放大器的輸入電壓時(shí)。前置放大器的輸入電壓Uim與與 頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為/03，可近似看作輸入電壓與，可近似看作輸入電壓與 作用力頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明，在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的作用力頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明，在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的 條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。 壓電傳感器參考課件 但是，當(dāng)被測(cè)動(dòng)態(tài)量變化緩慢，

43、而測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)不但是，當(dāng)被測(cè)動(dòng)態(tài)量變化緩慢，而測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)不 大時(shí)，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶大時(shí)，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶 的低頻端，就必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的低頻端，就必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)。但是靠。但是靠 增大測(cè)量回路的電容來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的增大測(cè)量回路的電容來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的 靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得的定義得 2 2 33 1 ica m im u CCC R d F U K ica u CCC d K 33 因?yàn)橐驗(yàn)镽1，故上式可以近似為，故上式可以近似為 可見(jiàn)，可見(jiàn)

44、，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下下 降。為此常將降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi) 阻越大，測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也阻越大，測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也 越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)Cc 將改變，必須重新校正靈敏度值。將改變，必須重新校正靈敏度值。 壓電傳感器參考課件 2 2、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器， 其基本電路

45、如圖。若放大器的開(kāi)環(huán)增益其基本電路如圖。若放大器的開(kāi)環(huán)增益A0足夠大，并且足夠大，并且 放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流， 運(yùn)算電流僅流入反饋回路運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與與RF。由圖可知。由圖可知i的表達(dá)式的表達(dá)式 為：為： A0 Ca U USC 電荷放大器原理電路圖 i Ra q CF RF F FSC R CjUUi 1 F F R CjUAU 1 0 F F R ACAjU 1 11 00 壓電傳感器參考課件 根據(jù)上式畫(huà)出等效電路圖根據(jù)上式畫(huà)出等效電路圖 A0 CaRaR C USC U q CF、RF等效到等效到A

46、0的輸入端時(shí)，電容的輸入端時(shí)，電容CF將增大將增大( (1A0) )倍。倍。 電導(dǎo)電導(dǎo)1RF也增大了也增大了( (1A0) )倍。所以圖中倍。所以圖中C=( (1A0) )CF； 1/ /R=( (1A0) )1RF，這就是所謂，這就是所謂“密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)”的結(jié)果。的結(jié)果。 運(yùn)放輸入電壓運(yùn)放輸入電壓 輸出電壓輸出電壓 Fa Fa CACj R A R qj U 00 1 1 1 1 Fa Fa SC CACj R A R Aqj UAU 00 0 0 1 1 1 1 壓電傳感器參考課件 當(dāng)當(dāng)A0足夠大時(shí)足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長(zhǎng)短將不影響傳感器本身的電容和電纜長(zhǎng)短將不影響 電荷放大器

47、的輸出。因此輸出電壓電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電只決定于輸入電 荷荷q及反饋回路的參數(shù)及反饋回路的參數(shù)CF和和RF。由于。由于1RFCF,則則 Fca Fa SC CACCj R A R Aqj U 00 0 1 1 1 1 FF SC C q CA qA U 0 0 1 若考慮電纜電容若考慮電纜電容Cc，則有，則有 可見(jiàn)當(dāng)可見(jiàn)當(dāng)A0足夠大時(shí)，輸出電壓與足夠大時(shí)，輸出電壓與A0無(wú)關(guān)，只取決于輸入無(wú)關(guān)，只取決于輸入 電荷電荷q和反饋電容和反饋電容CF，改變，改變CF的大小便可得到所需的電的大小便可得到所需的電 壓輸出。壓輸出。 CF一般取值一般取值100- -104pF。

48、壓電傳感器參考課件 運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A0對(duì)精度有影響，當(dāng)頻率很對(duì)精度有影響，當(dāng)頻率很 高時(shí)，則高時(shí)，則 及及 Fca SC CACC qA U 0 0 1 F SC C q U F ca SC SCSC CA CC U UU 0 1 1001 101000 01.0 0 4 A 由此得由此得A0105。對(duì)線性集成運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，這一要求。對(duì)線性集成運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，這一要求 是不難達(dá)到的。是不難達(dá)到的。 例例, ,Ca=1000pF, ,CF=100pF, ,Cc=( (100pF/m) )100m=105pF, , 當(dāng)要求當(dāng)要求1%時(shí)，則有時(shí)，則有 則可計(jì)算產(chǎn)生

49、的誤差為則可計(jì)算產(chǎn)生的誤差為 壓電傳感器參考課件 當(dāng)工作頻率當(dāng)工作頻率很低時(shí)，分母中的電導(dǎo)很低時(shí)，分母中的電導(dǎo)1/Ra+(1+A0)/RF與與 電納電納jCaCc(1+A0)CF的值相當(dāng)，電導(dǎo)就不可忽略。的值相當(dāng)，電導(dǎo)就不可忽略。 此時(shí)此時(shí)A0足夠大，則足夠大，則 其幅值為其幅值為 當(dāng)當(dāng)1/ RF = CF時(shí)時(shí) 可見(jiàn)這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降可見(jiàn)這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng) 的下限截止頻率為的下限截止頻率為 F F F F SC Cj R qj CAj R A Aqj U 1 1 1 1 00 0 F F SC C R qU 2 2 1 / )2/( FSC C

50、qU FF L CR f 2 1 壓電傳感器參考課件 可見(jiàn)壓電式傳感器配用電荷放大器時(shí)可見(jiàn)壓電式傳感器配用電荷放大器時(shí), ,其低頻幅值誤差和其低頻幅值誤差和 截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)RF和和CF, ,其中其中CF的大的大 小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當(dāng)給定工作小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當(dāng)給定工作 頻帶下限截止頻率頻帶下限截止頻率fL時(shí)時(shí), ,反饋電阻反饋電阻RF值也可確定。如當(dāng)值也可確定。如當(dāng) CF=1000pF, ,fL=0.16Hz時(shí)時(shí), ,則要求則要求RF109。 四、壓電式傳感器的應(yīng)用四、壓電式傳感器的應(yīng)用 （一）壓電式加速度傳

51、感器（一）壓電式加速度傳感器 （二）壓電式壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器 （三）壓電式流量計(jì)（三）壓電式流量計(jì) （四）集成壓電式傳感器（四）集成壓電式傳感器 （五）壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用（五）壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用 FFC R 1 arctan90 USC與與q間的相位誤差間的相位誤差 壓電傳感器參考課件 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量 較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受 到與加速度方向相反的慣性力，此力到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同

52、時(shí)慣性。同時(shí)慣性 力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運(yùn) 動(dòng) 方 向 2 1 3 4 5 縱向效應(yīng)型加速度縱向效應(yīng)型加速度 傳感器的截面圖傳感器的截面圖 （一）（一） 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效 應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng) 是最常見(jiàn)的是最常見(jiàn)的, ,如圖。壓電陶瓷如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)和質(zhì) 量塊量塊2為環(huán)型，通過(guò)螺母為環(huán)型，通過(guò)螺母3對(duì)質(zhì)量塊對(duì)質(zhì)量塊 預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。 測(cè)量時(shí)將傳感器基座測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象與

53、被測(cè)對(duì)象 牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電 極極1引出。引出。 qd33Fd33ma 壓電傳感器參考課件 此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與 壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳 感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。 若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振 動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來(lái)動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來(lái) 提高傳感器靈敏度

54、。此外用增加壓電片數(shù)目和采用提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用 合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。 壓電傳感器參考課件 連接方式：圖連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的為并聯(lián)形式，片上的負(fù)極負(fù)極集中在中間極集中在中間極 上，其輸出電容上，其輸出電容C為單片電容為單片電容C的兩倍，但輸出電壓的兩倍，但輸出電壓U 等于單片電壓等于單片電壓U，極板上電荷量，極板上電荷量q為單片電荷量為單片電荷量q的兩倍，的兩倍， 即即 圖圖( (b) )為串聯(lián)形式，為串聯(lián)形式，正電荷正電荷集中在上極板，集中在上極板，負(fù)電荷負(fù)電荷集中在集中在 下極板，而中間的極板上產(chǎn)生

55、的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正 電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單等于單 CCUUqq22； 片電荷片電荷q，而輸出電壓，而輸出電壓U為單為單 片電壓片電壓U的二倍，總電容的二倍，總電容C為為 單片電容單片電容C的一半，即的一半，即 CCUUqq 2 1 2； + + (a)并聯(lián)(b)串聯(lián) 疊層式壓電元件 + + + + l并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)， 并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。 l串

56、聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出 信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。 壓電傳感器參考課件 （二）（二） 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測(cè)壓傳感器有各種不同 的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體2、 基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片 5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個(gè) 壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 SPdFdq 1111 F作用于壓電片上的力； d11壓電系數(shù)； P壓強(qiáng)， ； S膜片

57、的有效面積。 S F P 1 2 3 4 5 6 p 壓電式測(cè)壓傳感器原理圖壓電式測(cè)壓傳感器原理圖 壓電傳感器參考課件 測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一，如果傳感器只由一 個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： P q k q P U ku 0 Sdkq 11 0 0 C q U 0 11 C Sd ku因?yàn)橐驗(yàn)?，所以電壓靈敏度也可表示為，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容壓電片等效電容 電荷靈敏度電荷靈敏度 電壓靈敏度電壓靈敏度 電荷靈敏度電荷靈敏度 壓電傳感器參考課件 （三）（三） 壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì) 利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。 其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用 壓電超聲換能器，每隔一