5.3壓電式傳感器

1、壓電式傳感器的特點：壓電式傳感器的特點：壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以測量最，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度動態(tài)壓力、振動加速度等，但等，但不能用于靜態(tài)參不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。數(shù)的測量。 是一種是一種自發(fā)電式自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)電量電測的目的。，從而實現(xiàn)電量電測的目的。本節(jié)介紹本節(jié)介紹壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)及應(yīng)用逆壓電效應(yīng)及應(yīng)用、壓

2、電元件壓電元件、等效電路、等效電路、電荷放大器電荷放大器、壓電壓電傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。及應(yīng)用。 5.35.3 壓電傳感器壓電傳感器 天然石英晶體外形天然石英晶體外形天然石英晶體外形（續(xù)）天然石英晶體外形（續(xù)）2021-6-145天然石英晶體的三個軸天然石英晶體的三個軸在晶體學(xué)中，可用三根相互垂直的軸來表示。其中在晶體學(xué)中，可用三根相互垂直的軸來表示。其中縱向軸稱為光軸，也稱縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效應(yīng)應(yīng)。 經(jīng)過正六面體棱經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸的軸線稱為電軸，也稱也稱x軸軸；經(jīng)過正六經(jīng)過正六面體的棱

3、面且垂直面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為于光軸的軸線稱為機械軸，也稱機械軸，也稱y軸軸。天然石英晶體的三個面天然石英晶體的三個面從石英晶體上切割出一塊平行六面體的切片，從石英晶體上切割出一塊平行六面體的切片，再進一步從該正六面體上切割出正方形薄片，就再進一步從該正六面體上切割出正方形薄片，就是工業(yè)中常用的石英晶片。正方形薄片的是工業(yè)中常用的石英晶片。正方形薄片的6個面?zhèn)€面分別垂直于光軸（分別垂直于光軸（z軸）、電軸（軸）、電軸（x軸）和機械軸軸）和機械軸（y軸）。軸）。石英晶體切片的三個面（續(xù)）石英晶體切片的三個面（續(xù)）在在x面的兩個表面施加壓力，在面的兩個表面施加壓力，在x面的上下表面的上下

4、表面產(chǎn)生電荷；面產(chǎn)生電荷；在在y面的兩個表面施加壓力，仍然只在面的兩個表面施加壓力，仍然只在x面產(chǎn)面產(chǎn)生電荷。生電荷。l、b分別為分別為石英晶片的長度、石英晶片的長度、厚度和高度。厚度和高度。電電荷只產(chǎn)生在與荷只產(chǎn)生在與x軸軸垂直的垂直的x面的前后面的前后兩側(cè)。兩側(cè)。一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電電荷荷Q與所施加的力與所施加的力F成正比成正比 ，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱

5、為壓壓電效應(yīng)電效應(yīng) 。還有一些人造材料也具有壓電效應(yīng)。還有一些人造材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓施加交變電壓，它，它就會就會產(chǎn)生機械變形產(chǎn)生機械變形。當(dāng)去掉外加電場時，電介。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)）。）。石英晶體石英晶體石英晶體的化學(xué)式為石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個晶胞中，它的每個晶胞中有有3個硅離子和個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成對出現(xiàn)的）。氧離子交替排列（氧離子是成對出現(xiàn)的

6、）。沿沿光軸看去，可以認為是正六邊形排列結(jié)構(gòu)光軸看去，可以認為是正六邊形排列結(jié)構(gòu)。在。在無外力作用時，硅離子所帶正電荷的等效中心無外力作用時，硅離子所帶正電荷的等效中心與氧離子所帶負電荷的等效中心是重合的，整與氧離子所帶負電荷的等效中心是重合的，整個晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象個晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象。1正電荷等效中心正電荷等效中心 2負電荷等效中心負電荷等效中心壓電效應(yīng)的微觀分析壓電效應(yīng)的微觀分析未受力時石英晶體的正負電荷中心重疊，未受力時石英晶體的正負電荷中心重疊，從宏觀上看，整體不帶電從宏觀上看，整體不帶電1正電荷等效中心正電荷等效中心 2負電荷等效中心負電荷等效中心 晶體沿晶體沿x面受壓力時面受壓力

7、時的帶電情況分析的帶電情況分析石英晶體的正負電荷中心分離，宏觀上看，石英晶體的正負電荷中心分離，宏觀上看，x面的上表面帶正電，下表面帶負電面的上表面帶正電，下表面帶負電Q=d1111Fx1正電荷等效中心正電荷等效中心 2負電荷等效中心負電荷等效中心晶片晶片沿沿x面受拉力時面受拉力時，或是，或是所受壓力消失后，所受壓力消失后，彈性體反彈時彈性體反彈時，也能導(dǎo)致石英晶體的正負電荷，也能導(dǎo)致石英晶體的正負電荷中心分離中心分離, x面的上表面帶負電面的上表面帶負電,下表面帶正電下表面帶正電。 受交變力時，產(chǎn)生交變電信號。受交變力時，產(chǎn)生交變電信號。y面受壓力時的帶電情況等效于沿面受壓力時的帶電情況等效

8、于沿x軸方向施拉力軸方向施拉力的情況。但產(chǎn)生的電荷量可能比沿的情況。但產(chǎn)生的電荷量可能比沿x軸方向施拉力時軸方向施拉力時的電荷量大幾倍，視晶片的長度與寬度之比的電荷量大幾倍，視晶片的長度與寬度之比 l/的倍的倍數(shù)數(shù)而不同。而不同。 沿沿 y面受壓力時面受壓力時,石英晶體的正負電荷中心也產(chǎn)生石英晶體的正負電荷中心也產(chǎn)生分離分離, x面的上表面帶負電面的上表面帶負電,下表面帶正電下表面帶正電11ylQdF 無論是沿?zé)o論是沿x軸方向施加力，還是沿軸方向施加力，還是沿y軸方向施加力，軸方向施加力，電荷只產(chǎn)生在電荷只產(chǎn)生在x面上。面上。光軸（光軸（z軸）軸）方向受力時，由于方向受力時，由于晶格的變形不會

9、引起正負電荷中心的分離，所以不會晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 沿沿 y面受拉力時面受拉力時,石英晶體的正負電荷中心也產(chǎn)生石英晶體的正負電荷中心也產(chǎn)生分離分離, x面的上表面帶正電面的上表面帶正電,下表面帶負電下表面帶負電，帶電的方向帶電的方向與與x面受壓力時的情況相同面受壓力時的情況相同交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷荷Q，在上下鍍銀的表面上產(chǎn)生交變電壓在上下鍍銀的表面上產(chǎn)生交變電壓。對壓電元件施加交變力，產(chǎn)生交變電荷對壓電元件施加交變力，產(chǎn)生交變電荷產(chǎn)生的交變電荷的變化頻率與交變力的頻率相同，

10、產(chǎn)生的交變電荷的變化頻率與交變力的頻率相同，等效于交變電荷源。等效于交變電荷源。石英晶體石英晶體的壓電效的壓電效應(yīng)演示應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)施加當(dāng)施加靜態(tài)力時，靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失并消失。天然石英晶體的天然石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較軸向受力產(chǎn)生電荷比較1.在晶體的彈性限度內(nèi)，在晶體的彈性限度內(nèi)，在在x軸方向上施加壓軸方向

11、上施加壓力力Fx時時，在，在x面上產(chǎn)生的電荷為：面上產(chǎn)生的電荷為：Q=d1111Fx式中式中 的的 d1111稱為壓電常數(shù)。稱為壓電常數(shù)。2.在在y軸方向施加壓力軸方向施加壓力Fy時時，仍然在，仍然在x面上產(chǎn)面上產(chǎn)生電荷：生電荷：式中的式中的 l、為石英為石英晶片的長度和厚度。晶片的長度和厚度。11ylQdF 石英晶體的特性石英晶體的特性石英（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。其其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好,在常溫范在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化,如下兩圖。如

12、下兩圖。在在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅，壓電系數(shù)僅減少減少0.016。但是當(dāng)?shù)?。但是?dāng)?shù)?73時，它突然時，它突然完全失去了完全失去了壓電特性壓電特性，這就是它的，這就是它的居里點居里點。 石英的石英的d11系數(shù)相對于系數(shù)相對于20的的d11溫度變化特性溫度變化特性石英在高溫下相對介電常數(shù)的石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性溫度特性外力作用在壓電元件上，雖然可以產(chǎn)生電荷外力作用在壓電元件上，雖然可以產(chǎn)生電荷Q，但但在上下鍍銀電極之間總是存在泄漏電阻在上下鍍銀電極之間總是存在泄漏電阻Ra，電荷的保，電荷的保存時間通常小于幾秒存時間通常小于幾秒,而且要求放大器的輸

13、入電阻而且要求放大器的輸入電阻Ri無限大無限大,因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 交變電荷源兩端并聯(lián)一個極間電容交變電荷源兩端并聯(lián)一個極間電容Ca和漏電電阻和漏電電阻Ra 。 極間電容極間電容Ca約為約為1000pF數(shù)量級，與壓電片的面積成數(shù)量級，與壓電片的面積成正比正比；漏電電阻；漏電電阻Ra應(yīng)大于應(yīng)大于1M。如果在壓電材料的如果在壓電材料的兩個電極面上施加交流電兩個電極面上施加交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機械振動壓，那么壓電片能產(chǎn)生機械振動。即：壓電片。即：壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，稱為在電極方向上有伸縮

14、的現(xiàn)象，稱為“電致伸縮電致伸縮效應(yīng)效應(yīng)”，也叫做，也叫做“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)實線代表未施加激勵電壓的形變前的狀態(tài)實線代表未施加激勵電壓的形變前的狀態(tài)虛線代表在激勵源的正半周，壓電材料拉長形變虛線代表在激勵源的正半周，壓電材料拉長形變后的狀態(tài)后的狀態(tài)。在激勵源的負半周，壓電材料壓縮變形在激勵源的負半周，壓電材料壓縮變形(未畫出未畫出)。逆壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)示意圖清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙“雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細響語喁喁雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細響語喁喁”鳴沙山上的逆壓電效應(yīng)鳴沙山上的逆壓電效應(yīng)鳴沙丘鳴沙丘煤氣灶壓電點火器煤氣灶壓電點火器另一種是利用壓

15、電陶瓷制成的。另一種是利用壓電陶瓷制成的。使勁扭動打火按鈕，使勁扭動打火按鈕，“撞擊塊撞擊塊”敲敲擊多塊串聯(lián)的壓電陶瓷，就能產(chǎn)生擊多塊串聯(lián)的壓電陶瓷，就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點燃煤氣。高電壓，形成電火花而點燃煤氣。壓電陶瓷還可以制成電子打火機，壓電陶瓷還可以制成電子打火機，可使用可使用100萬次以上。萬次以上。2323煤氣灶上的點火器煤氣灶上的點火器有兩種。一種為有源有兩種。一種為有源點火器，要依靠干電點火器，要依靠干電池逆變電路產(chǎn)生高壓池逆變電路產(chǎn)生高壓電火花；電火花；壓電陶瓷變壓器壓電陶瓷變壓器壓電陶瓷變壓器是一塊是一塊具有不同極化方向的壓電陶具有不同極化方向的壓電陶瓷，同時利用正壓電

16、效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來產(chǎn)生高電壓瓷，同時利用正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來產(chǎn)生高電壓的器件的器件。兩次能量轉(zhuǎn)換為：。兩次能量轉(zhuǎn)換為：中頻電能激勵中頻電能激勵機械振動機械振動能能中頻高壓電能中頻高壓電能。常用的是長條形單片常用的是長條形單片Rosen型壓電陶瓷變壓器。壓型壓電陶瓷變壓器。壓電變壓器的電變壓器的左半部上下兩面有燒滲的銀電極，作為電左半部上下兩面有燒滲的銀電極，作為電壓輸入端，稱為驅(qū)動部分壓輸入端，稱為驅(qū)動部分;右半部分的端頭燒滲銀電極，右半部分的端頭燒滲銀電極，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。作為輸出端，稱為發(fā)電部分。當(dāng)一個交變電壓加到壓當(dāng)一個交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時，在輸入端電變壓器的輸

17、入端時，在輸入端,沿厚度方向引起陶瓷沿厚度方向引起陶瓷體的收縮與拉伸，這種應(yīng)變沿長度方向傳遞，使壓電體的收縮與拉伸，這種應(yīng)變沿長度方向傳遞，使壓電變壓器沿長度方向產(chǎn)生變壓器沿長度方向產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓連續(xù)的正弦波電壓（正壓電效正壓電效應(yīng)），將機械能轉(zhuǎn)換為電能應(yīng)），將機械能轉(zhuǎn)換為電能。由于長度是厚度的幾十。由于長度是厚度的幾十倍，又由于縱駐波的加強效應(yīng)，輸出電壓倍增。倍，又由于縱駐波的加強效應(yīng)，輸出電壓倍增。2424二、壓電材料的分類及特性二、壓電材料的分類及特性 壓電傳感器中的壓電元件材料常用的壓電傳感器中的壓電元件材料常用的有三類：有三類： 一類是一類是壓電晶體壓電晶體（如上述的石英晶（如

18、上述的石英晶體）；體）； 另一類是另一類是 經(jīng)過極化處理的經(jīng)過極化處理的 壓電壓電陶瓷陶瓷；第三類是經(jīng)過極化處理的；第三類是經(jīng)過極化處理的高分子高分子壓電材料。壓電材料。壓電材料壓電材料的分類的分類 .石英晶體的特性石英晶體的特性石英晶體在石英晶體在20200的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量只有只有- -0.0001/。還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、。還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。范圍寬等優(yōu)點。石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。菏⒕w的不足之處是壓電常數(shù)較?。篸=2.31

19、 10- -12C/N。因此石英晶體大多只在。因此石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感標(biāo)準(zhǔn)傳感器器、高準(zhǔn)確度傳感器或使用高溫壓電傳感器中使用，、高準(zhǔn)確度傳感器或使用高溫壓電傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷壓電陶瓷。 石英晶體在振蕩電石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。出頻率。晶振晶振石英晶體還可制作晶體振蕩器石英晶體還可制作晶體振蕩器（晶振）（晶振）（二）壓電陶瓷（二）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材

20、料，它比石英晶體的它比石英晶體的壓電靈敏度高得多壓電靈敏度高得多，而制造，而制造成本卻較低成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶。常用的壓電陶瓷材料有瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及及非鉛系壓電陶瓷非鉛系壓電陶瓷 （如（如BaTiO3等）等）。 壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形 壓電陶瓷的工作原理壓電陶瓷的工作原理壓電陶瓷是一種壓電陶瓷是一種多晶壓電材料多晶壓電材料。某些陶瓷粉末原料，。某些陶瓷粉末原料，在一定的工藝條件下，經(jīng)在一定的工藝條件下，經(jīng)1000以上高溫?zé)Y(jié)、機械以上高溫

21、燒結(jié)、機械加工，可以制成圓片或其他需要的形狀。燒結(jié)而成的加工，可以制成圓片或其他需要的形狀。燒結(jié)而成的壓電陶瓷由無數(shù)細微的電疇組成壓電陶瓷由無數(shù)細微的電疇組成，這些電疇實際上是，這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時，各個電分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此因此原始的壓電陶瓷呈中性原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)不具有壓電性質(zhì)。為了使。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)壓電陶瓷具有壓電效應(yīng),必須在高溫下，在上下端面鍍必須在高溫下，在上下端面鍍上電極，上電極，用上千伏高電壓

22、進行用上千伏高電壓進行極化處理極化處理，使電疇的方使電疇的方向趨向一致向趨向一致，冷卻后就具有壓電效應(yīng)。，冷卻后就具有壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的極化處理壓電陶瓷的極化處理 a）極化處理前電疇雜亂分布）極化處理前電疇雜亂分布 b）在極化電壓下的電疇分布）在極化電壓下的電疇分布 c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布1鍍銀上電極鍍銀上電極 2壓電陶瓷壓電陶瓷 3鍍銀下電極鍍銀下電極 4電疇電疇 5極化高壓電源極化高壓電源 細微的電疇極化方向細微的電疇極化方向常用的壓電陶瓷材料常用的壓電陶瓷材料（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由鈦酸：是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體

23、。有較高的壓電常數(shù)鉛和鋯酸鉛組成的固熔體。有較高的壓電常數(shù)d（200500） 10-12C/N。在上述材料中加入微量的。在上述材料中加入微量的鑭（鑭（La）、鈮（）、鈮（Nb）或銻（）或銻（Sb）等，可以得到不同）等，可以得到不同性能的性能的PZT材料。材料。（2）非鉛系壓電陶瓷非鉛系壓電陶瓷：能減少制造過程中鉛對能減少制造過程中鉛對環(huán)境的污染環(huán)境的污染。BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷和鈦酸鋇鈣鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷和鈦酸鋇鈣壓電

24、陶瓷等，它們的多項性能都已超過含鉛系列壓壓電陶瓷等，它們的多項性能都已超過含鉛系列壓電陶瓷，電陶瓷，是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向。無鉛壓電陶瓷無鉛壓電陶瓷鋯鈦酸鋇鈣鋯鈦酸鋇鈣的的壓電系數(shù)達到壓電系數(shù)達到600pC/N，壓電性能，壓電性能已已超過了世界上已使用半個世紀、但對人體和環(huán)境超過了世界上已使用半個世紀、但對人體和環(huán)境有害的核心壓電材料鋯鈦酸鉛陶瓷（有害的核心壓電材料鋯鈦酸鉛陶瓷（250pC/N）。）。無鉛壓電陶瓷取代鉛基壓電陶瓷已成為必然的趨勢。無鉛壓電陶瓷取代鉛基壓電陶瓷已成為必然的趨勢。壓電陶瓷與石英晶體的特性比較壓電陶瓷與石英晶體的特性比較 .（三）高分子壓電材

25、料（三）高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF）、改性）、改性聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管薄膜或電纜套管等形等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可測量動態(tài)范圍可達達80dB。高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 、切

26、片、切片高分子壓電材料制作的高分子壓電材料制作的壓電墊和壓電電纜壓電墊和壓電電纜 可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 壓電式腳踏報警器壓電式腳踏報警器 高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）5.3.2 等效電路及信號變換電路1. 壓電元件的等效電路2. 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路1. 壓電元件的等效電路hshsCra0aCQU 壓電式傳感器的等效電路 (a)等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q與一個電容與一個電容Ca并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路 (b) 等效成一個電源等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容和一個電

27、容Ca的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路 兩個壓電片的聯(lián)接方式 （a） “并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的方。適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的方。（b） “串聯(lián)串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。2. 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路n高輸出阻抗；高輸出阻抗；n低輸出信號。低輸出信號。前置放大器兩

28、個作用前置放大器兩個作用:u把壓電式傳感器的微弱信號放大；把壓電式傳感器的微弱信號放大；u把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：輸入電容：輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件的力壓電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q = d11F。tFddtdQim

29、cos11FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 當(dāng)作用力是靜態(tài)力（當(dāng)作用力是靜態(tài)力（=0） 時，前置放大器的輸入電壓為零。時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。 傳感器的低頻響應(yīng)范圍 n如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的時間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為時間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此

30、為了了擴大傳感器的低頻響應(yīng)范圍擴大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量，就必須盡量提高回路提高回路的時間常數(shù)。的時間常數(shù)。n因為傳感器的因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的，切實可行的辦法是的辦法是提高測量回路的電阻提高測量回路的電阻。放大器的輸入電阻越。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。也就越好。電壓放大器應(yīng)用限制n壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，接電纜不能太長。電纜長，電纜電容電纜電容Cc就大就大，電纜電

31、容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。n電壓放大器，電路簡單，元件少，價格便宜，電壓放大器，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的電纜長度對傳感器測量精度的影響較大影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。在某些場合的應(yīng)用。（2）電荷放大器壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將能將高內(nèi)阻高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻低內(nèi)阻的電壓源，的電壓源，而且而且輸出電壓正比于輸入電荷輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷，因此，電荷放

32、大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達阻抗高達10101012，輸出阻抗小于，輸出阻抗小于100。使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點：在一定條：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 K是放大器的開環(huán)增益，（是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地地”電位。電位。 充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器

33、的輸出電壓 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0幾點結(jié)論：幾點結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量輸入電荷量和和反饋電容反饋電容有關(guān)，有關(guān)， 而與放大器的而與放大器的放大系數(shù)放大系數(shù)或或電纜電容等電纜電容等均無關(guān)系；均無關(guān)系；2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成變化成 線形關(guān)系的輸出電壓。線形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf小，輸出就大；小，輸出就大；4、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓

34、與電纜電容無關(guān)條件：、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）反饋反饋電阻電阻的選取的選取及低頻截止頻率及低頻截止頻率Rf與與Cf的乘積決定電荷放大器的下限頻率的乘積決定電荷放大器的下限頻率fL。當(dāng)當(dāng)Cf 由靈敏度的要求確定后，由靈敏度的要求確定后， Rf越大，電荷放大越大，電荷放大器的的低頻特性就越差。器的的低頻特性就越差。當(dāng)被測電荷信號的頻率當(dāng)被測電荷信號的頻率下降到下降到fL時，電荷放大器的輸出電壓降低到時，電荷放大器的輸出電壓降低到 時：時：此時的低頻截止頻率此時的低頻截止頻率fL=1/2C f R f。1 /2電荷放大器的高頻截止頻率電荷放大器的高頻截止頻率電

35、荷放大器的電荷放大器的上限頻率由運放的頻率響應(yīng)、噪聲系上限頻率由運放的頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)、線路的分布電容等決定數(shù)、線路的分布電容等決定。如果電纜線太長，電纜。如果電纜線太長，電纜電容和雜散電容增加，都會導(dǎo)致放大器的高頻特性變電容和雜散電容增加，都會導(dǎo)致放大器的高頻特性變差。若忽略運放的輸入電容和輸入電阻，則上限頻率差。若忽略運放的輸入電容和輸入電阻，則上限頻率為為 式中式中Rc和和Cc為電纜的等效電阻和等效電容，為電纜的等效電阻和等效電容，Ca為傳為傳感器的等效電容。感器的等效電容。fH=1/2Rc(Cc+Ca)電荷放大器的頻率特性電荷放大器的頻率特性 .| 1/Cf |1）壓電元件的輸出電荷量壓電元件的輸出電荷量Q的有效值為多少的有效值為多少庫倫？庫倫？2）被測振動力被測振動力F F 的有效值為多少？的有效值為多少？3）電荷放大器的靈敏度）電荷放大器的靈敏度KQ為多少為多少mV/pC？