第5章 壓電式傳感器

1、第5章壓電式傳感器資料來源于互聯(lián)網(wǎng)宋玉宏整理修改2009年8月第第5 5章章 壓電式傳感器壓電式傳感器5.1 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料15.2 5.2 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路5.3 5.3 壓電式傳感器的壓電式傳感器的測量電路測量電路35.4 5.4 壓電壓電式傳感器式傳感器的的應(yīng)用應(yīng)用4255.5 5.5 超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用 概述 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。u當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有當(dāng)某些材料受力作用而

2、變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。u壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾承╇娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的變形時(shí)，其內(nèi)部

3、就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。稱壓電效應(yīng)。u當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為象稱為“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)

4、）。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換電能量的相互轉(zhuǎn)換電能電能機(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)5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。良的壓電材料。u壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。u他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，

5、時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。較理想的壓電材料。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u 壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)有：有： （1 1） 壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2 2） 彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3 3） 介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，介電常數(shù)：對于一定形狀、尺

6、寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。壓電傳感器的頻率下限。 (4 (4） 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；能）之比的平方根； 它是衡量壓電材料機(jī)電能它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5 5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。漏，從而改善壓電傳感器的低頻特

7、性。（6 6） 居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度點(diǎn)稱為居里點(diǎn)。度點(diǎn)稱為居里點(diǎn)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.1 5.1.1 石英晶體石英晶體u石英晶體化學(xué)式為石英晶體化學(xué)式為SiO2SiO2（二氧化硅），是單晶體（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)u它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)高達(dá)100%100%、穩(wěn)定性

8、好。、穩(wěn)定性好。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u上圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正上圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。u其中縱向軸其中縱向軸z z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的軸的x x軸稱為電軸，與軸稱為電軸，與x x和和z z軸同時(shí)垂直的軸軸同時(shí)垂直的軸y y稱為機(jī)械稱為機(jī)械軸。軸。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u把沿電軸把沿電軸x x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”u把沿機(jī)械把沿機(jī)械y y方

9、向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”u沿光軸沿光軸z z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u若從晶體上沿若從晶體上沿y y方向切下一塊如圖所示晶片，當(dāng)在方向切下一塊如圖所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力電軸方向施加作用力 時(shí)，在與電軸時(shí)，在與電軸x x垂直的平面垂直的平面上將產(chǎn)生電荷上將產(chǎn)生電荷QxQx，其大小為，其大小為式中：式中： x x方向受力的壓電系數(shù)；方向受力的壓電系數(shù)； 作用力。作用力。11xxQdF11dxFxF5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u若在同一切片上，沿機(jī)械軸若在同一切片上，沿

10、機(jī)械軸y y方向施加作用力方向施加作用力 ，則仍在與則仍在與x x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷QyQy，其大小為：，其大小為： yF式中：式中： y軸方向受力的壓電系數(shù)，軸方向受力的壓電系數(shù)， a、b晶體切片長度和厚度。晶體切片長度和厚度。電荷電荷Qx和和Qy的符號由所受力的性質(zhì)決定。的符號由所受力的性質(zhì)決定。12d1211dd 12yyQdF5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。下圖是石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。下圖是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于垂直于z z軸的軸的

11、xyxy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中列。圖中“+”+” 代表代表 離子，離子，“-”-” 代表氧離子代表氧離子4Si2O石英晶體壓電模型石英晶體壓電模型5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120120夾角夾角的電偶極矩的電偶極矩P1P1、P2P2、P3P3。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3= 0P1+P2+P3= 0，所，所

12、以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。u當(dāng)石英晶體受到沿當(dāng)石英晶體受到沿x x軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對位置也隨方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對位置也隨之變動(dòng)。如圖（之變動(dòng)。如圖（b b）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，即（重合，即（P1+P2+P3P1+P2+P3）x 0 x 0 。在。在x x軸的正方向出軸的正方向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在現(xiàn)正電荷，電偶極矩在y y方向上的分量仍為零，不方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。出現(xiàn)電荷。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體

13、受到沿y y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體變形軸方向的壓力作用時(shí)，晶體變形如圖（如圖（c c）所示，與圖（）所示，與圖（b b）情況相似，）情況相似，P1P1增大，增大，P2P2、P3 P3 減小。在減小。在x x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x x軸軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在正向?yàn)樨?fù)電荷。在y y軸方向上不出現(xiàn)電荷。軸方向上不出現(xiàn)電荷。u如果沿如果沿z z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x x方向和方向和y y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿保持重合，電偶極矩矢量和等于零。

14、這表明沿z z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。u當(dāng)作用力當(dāng)作用力FxFx、FyFy的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變。之改變。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 重量結(jié)論：重量結(jié)論： 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；與電荷（或電場強(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)；向上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

15、壓電效應(yīng)的。 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.2 5.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷u壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極電場作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.2 5.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷u在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使材料得到極化。讓外電

16、場強(qiáng)度大到使動(dòng)，從而使材料得到極化。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，外電場去掉后，向都整齊地與外電場方向一致時(shí)，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。如圖。這時(shí)的材料才具有壓電特性。如圖。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直

17、于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：大小與外力成正比關(guān)系：上式中：上式中： d d3333 壓電陶瓷的壓電系數(shù)；壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F F 作用力。作用力。33Qd F5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料u壓電陶瓷與石英晶體的比較壓電陶瓷與石英晶體的比較u壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所

18、以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。但極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極較高。但極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。變化，從而使其壓電特性減弱。5.2 壓電式傳感器的等效電路u由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容晶體上聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板

19、間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為電容量為式中：式中：AA壓電片的面積；壓電片的面積；dd壓電片的厚度；壓電片的厚度； 空氣介電常數(shù)（其值為空氣介電常數(shù)（其值為8.868.86 /cm /cm）；）； 壓電材料的相對介電常數(shù)。壓電材料的相對介電常數(shù)。0(54)raACd 0r410 F5.2 壓電式傳感器的等效電路u壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源電壓源。如圖所示，電容器上的電壓如圖所示，電容器上的電壓UaUa、電荷量、電荷量Q Q和電容量和電容量CaCa三者關(guān)系為：三者關(guān)系為：u由圖可知，只有在外電路

20、負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電由圖可知，只有在外電路負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓U U才能長期保持不變；如果負(fù)載不才能長期保持不變；如果負(fù)載不是無窮大，則電路要以時(shí)間常數(shù)是無窮大，則電路要以時(shí)間常數(shù)R RL LC Ce e按指數(shù)規(guī)律放電。按指數(shù)規(guī)律放電。5.2 壓電式傳感器的等效電路u壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源于電容相并聯(lián)電壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源于電容相并聯(lián)電路，如圖所示。路，如圖所示。5.2 壓電式傳感器的等效電路u壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測量儀器或測量電路壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還須考慮連接電纜的等效電容相連接

21、，因此還須考慮連接電纜的等效電容CcCc，放，放大器的輸入電阻大器的輸入電阻RiRi，輸入電容，輸入電容CiCi以及壓電傳感器的泄以及壓電傳感器的泄漏電阻漏電阻RaRa，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路：路：（a）電壓源）電壓源 （b）電荷源）電荷源圖圖 壓電傳感器的實(shí)際等效電路壓電傳感器的實(shí)際等效電路5.3 壓電式傳感器的測量電路u壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量較小。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量較小。u為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，電路通常需

22、要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。二是放大傳感器輸出的微弱信號。u壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。大器和電荷放大器。5.3 壓電式傳感器的測量電路1 1電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）5.3 壓電式傳感器的測量電路u下圖給出了一個(gè)電壓放大器的具體電路。它具有很高下圖給出了一個(gè)電壓放大器的具體電路。它具有

23、很高的輸入阻抗的輸入阻抗(1000M)(1000M)和很低的輸出阻抗和很低的輸出阻抗(100)(100)，因，因此使用該阻抗變換器可將高阻抗的壓電傳感器與一般此使用該阻抗變換器可將高阻抗的壓電傳感器與一般放大器匹配。放大器匹配。INPUTC1R1R3R5R2C2D2D1BG1R4BG2D3R6C3EOUTPUT圖圖 電壓放大器電壓放大器5.3 壓電式傳感器的測量電路uBG1BG1為為MOSMOS場效應(yīng)管，做阻抗變換，場效應(yīng)管，做阻抗變換，R R3 3為為100M100M； BG2BG2管對輸入端形成負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗。管對輸入端形成負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗。R R4 4既是既是B

24、G1BG1的源極接地電阻，也是的源極接地電阻，也是BG2BG2的負(fù)載電阻，的負(fù)載電阻，R R4 4上的交變電壓通過上的交變電壓通過C C2 2反饋到場效應(yīng)管反饋到場效應(yīng)管BG1BG1的輸入端，的輸入端，使使A A點(diǎn)電位提高，保證較高的點(diǎn)電位提高，保證較高的交流輸入阻抗交流輸入阻抗。由。由BG1BG1構(gòu)成的輸入極，其輸入阻抗為構(gòu)成的輸入極，其輸入阻抗為12312(5 11)iR RRRRR5.3 壓電式傳感器的測量電路u引進(jìn)引進(jìn)BG2BG2，構(gòu)成第二級對第一級負(fù)反饋后，其輸入阻，構(gòu)成第二級對第一級負(fù)反饋后，其輸入阻抗為抗為u式中式中AuAu是是BG1BG1源極輸出器的電壓增益，其值接近源極輸出器

25、的電壓增益，其值接近1 1，所以所以RifRif可以提高到幾百到幾千兆歐可以提高到幾百到幾千兆歐(5 12)1iifuRRA5.3 壓電式傳感器的測量電路u電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長。器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容電纜長，電纜電容CcCc就大，電纜電容增大必然使傳就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集感器的電壓靈敏度降低。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大電路可以和傳感器成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大

26、電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。廣泛的應(yīng)用前景。5.3 壓電式傳感器的測量電路2 2電荷放大器電荷放大器u電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)帶電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)帶反饋電容反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成的高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成,電荷放大器可電荷放大器可用前面所講的等效電路，圖中用前面所講的等效電路，圖中K為運(yùn)算放大器增益，為運(yùn)算放大器增益， -K表示放大器的輸入與輸出反向。表示放大器的輸入與輸出反向。圖圖5-8 電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路5.3 壓電式傳感器

27、的測量電路u由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，其輸出電壓乎沒有分流，其輸出電壓 為為: :式中：式中： 放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； 反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。u通常通常A=104A=104106106，因此若滿足，因此若滿足 時(shí)上式可表示為時(shí)上式可表示為0(5 14)(1)acifKQUCCCK C 0U1faciK CCCC(5 15)ofQUC 0UCfU5.3 壓電式傳感器的測量電路u由上式可見，電荷放大器的輸出電壓由上式可見，電荷放大器的輸出電壓 與電纜電與電纜電容容CcCc無關(guān)，且與無關(guān)，且與Q Q成正比，

28、這是電荷放大器的最成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。大特點(diǎn)。u但電荷放大器的價(jià)格比電壓放大器高，電路較復(fù)但電荷放大器的價(jià)格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。雜，調(diào)整也較困難。u要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，電壓放大器和電荷要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，電壓放大器和電荷放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過高的輸出電壓。過載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過高的輸出電壓。0U(5 15)ofQUC 5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電元件是一類典型的力敏感元件，可用來壓電元件是一類典型的力敏感元件，可用來測量最終能轉(zhuǎn)換成力的多種物理量。測量最終能轉(zhuǎn)換成力的多種

29、物理量。1 1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器2 2壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器3 3壓電式流量計(jì)壓電式流量計(jì)4 4集成壓電式傳感器集成壓電式傳感器5 5壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)方向21345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1 1 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。縱向效應(yīng)應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見的是最常見的, ,如圖。壓電陶瓷如圖。壓電陶瓷4 4和質(zhì)和質(zhì)量塊量塊2 2為環(huán)型，通過螺母為環(huán)型，通過螺母3 3對質(zhì)

30、量塊對質(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。測量時(shí)將傳感器基座測量時(shí)將傳感器基座5 5與被測對象與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極極1 1引出。引出。5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，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，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力此力F Fmama。同時(shí)慣性力作用在壓同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 3運(yùn)動(dòng)方向

31、2145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qd33Fd33ma5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用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)量辦法來動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用提

32、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。 5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用qd33Fd33maCoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V輸出加速度傳感器PV-965.4 壓電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例： 微振動(dòng)檢測儀微振動(dòng)檢測儀uPV-96PV-96壓電加速度傳感器可用來檢測微振動(dòng)，其電路原理圖壓電加速度傳感器可用來檢測微振動(dòng)，其電路原理圖如圖所示。該電路由電荷放大器和電壓調(diào)

33、整放大器組成。如圖所示。該電路由電荷放大器和電壓調(diào)整放大器組成。5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u第一級是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容第一級是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容C C1 1和反和反饋電阻饋電阻R R1 1決定。低頻截止頻率為決定。低頻截止頻率為0.053Hz0.053Hz。R RF F是過載是過載保護(hù)電阻。保護(hù)電阻。CoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V輸出加速度傳感器PV-965.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u第二級為輸出調(diào)整放大器，調(diào)

34、整電位器第二級為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器WW1 1可使其輸可使其輸出約為出約為50mV/gal (1gal=1cm/s50mV/gal (1gal=1cm/s2 2) )。CoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V輸出加速度傳感器PV-965.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u在低頻檢測時(shí)，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大在低頻檢測時(shí)，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大, ,該電路的噪聲電平主要由電荷放大器的噪聲決定，該電路的噪聲電平主要由電荷放大器的噪聲決定，為了

35、降低噪聲，最有效的方法是減小電荷放大器為了降低噪聲，最有效的方法是減小電荷放大器的反饋電容。但是當(dāng)時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，由于的反饋電容。但是當(dāng)時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，由于C C1 1和和R R1 1呈反比關(guān)系，考慮到穩(wěn)定性，則反饋電容呈反比關(guān)系，考慮到穩(wěn)定性，則反饋電容C C1 1的的減小應(yīng)適當(dāng)。減小應(yīng)適當(dāng)。2 2 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，壓電式測壓傳感器有各種不同根據(jù)使用要求不同，壓電式測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。的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1 1、殼體、殼體2 2、基座基

36、座3 3、壓電晶片、壓電晶片4 4、受壓膜片、受壓膜片5 5及導(dǎo)電片及導(dǎo)電片6 6組成。組成。5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用123456p壓電式測壓傳感器原理圖壓電式測壓傳感器原理圖當(dāng)膜片當(dāng)膜片5 5受到壓力受到壓力P P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。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)生的電荷在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q q為為 SPdFdq1111F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強(qiáng)， ；S膜片的有效面積。SFP 123456p壓電式測壓傳感器原理圖壓電式測壓傳感器原理圖5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 測壓傳感器的輸入量為壓力測壓傳感器的輸入量為壓力P P，如果傳感器只由一

37、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： PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSdku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5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例： 基于基于PVDFPVDF壓電膜傳感器的脈象儀壓電膜傳感器的脈象儀u由于由于PDVF(PDVF(聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯) )壓電薄膜具有變力響應(yīng)靈敏度高、壓電薄膜具有變力響應(yīng)靈敏度高、柔

38、韌、易于制備，可緊貼皮膚等特點(diǎn)，因此可用人手指柔韌、易于制備，可緊貼皮膚等特點(diǎn)，因此可用人手指端大小的壓電膜制成可感應(yīng)人體脈搏壓力波變化的脈搏端大小的壓電膜制成可感應(yīng)人體脈搏壓力波變化的脈搏傳感器。脈象儀的硬件組成如圖傳感器。脈象儀的硬件組成如圖5-105-10所示：所示：壓電薄膜線性電荷放大電路帶通濾波器和50Hz工頻陷波器電壓放大器處理器A/D圖圖5-10 脈象儀的硬件組成脈象儀的硬件組成5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u因壓電薄膜內(nèi)阻很高，且脈搏信號微弱，設(shè)計(jì)其因壓電薄膜內(nèi)阻很高，且脈搏信號微弱，設(shè)計(jì)其前置電荷放大器有兩個(gè)作用，前置電荷放大器有兩個(gè)作用，一是與換能器阻抗匹配，把高阻抗輸入變?yōu)榈?/p>

39、阻抗一是與換能器阻抗匹配，把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?；輸出；二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。u為提高測量的精度和靈敏度，前置放大電路采用為提高測量的精度和靈敏度，前置放大電路采用線性修正的電荷放大電路，可獲得較低的下限頻線性修正的電荷放大電路，可獲得較低的下限頻率，消除電纜的分布電容對靈敏度的影響，使設(shè)率，消除電纜的分布電容對靈敏度的影響，使設(shè)計(jì)的傳感器體積小型化。計(jì)的傳感器體積小型化。u在一般的電荷放大器設(shè)計(jì)中，時(shí)間常數(shù)要求很大在一般的電荷放大器設(shè)計(jì)中，時(shí)間常數(shù)要求很大( (一般在一般在 以上以上) )，在小型的，在小型的PVDFPVDF脈搏傳感器中，

40、脈搏傳感器中，很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉答侂娙莶荒苓x得太小。很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉答侂娙莶荒苓x得太小。510 s5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用u在時(shí)間常數(shù)不足夠大的情況下在時(shí)間常數(shù)不足夠大的情況下( (小于小于100s)100s)，電荷，電荷放大器的輸出電壓跟換能器受到的壓力成非線性放大器的輸出電壓跟換能器受到的壓力成非線性關(guān)系，因此需要對電荷放大器進(jìn)行非線性修正。關(guān)系，因此需要對電荷放大器進(jìn)行非線性修正。u由于脈搏信號頻率很低，是微弱信號，且干擾信由于脈搏信號頻率很低，是微弱信號，且干擾信號較多，濾波電路在設(shè)計(jì)中非常重要。號較多，濾波電路在設(shè)計(jì)中非常重要。u運(yùn)算放大器應(yīng)盡量選擇低噪聲、低溫漂的器件。運(yùn)算放大器應(yīng)

41、盡量選擇低噪聲、低溫漂的器件。根據(jù)脈搏信號的特點(diǎn)，以及考慮高頻噪聲及溫度根據(jù)脈搏信號的特點(diǎn)，以及考慮高頻噪聲及溫度效應(yīng)噪聲的影響，帶通濾波器的通帶頻率寬度應(yīng)效應(yīng)噪聲的影響，帶通濾波器的通帶頻率寬度應(yīng)選擇在選擇在0.5Hz0.5Hz到到100Hz100Hz之間。之間。3 3 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利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一傳播速度進(jìn)行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間( (如如1/100s)1/100s)，發(fā)射和

42、接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)此流量計(jì)可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體此流量計(jì)可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性

43、以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%0.5%，有的可達(dá)，有的可達(dá)到到0.01%0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況變化，測量聲速隨深度的分布情況5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用4集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號通過薄膜變成電壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及

44、沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 脈搏計(jì)照片 典型應(yīng)用： 脈搏計(jì)數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警 振動(dòng)加速度測量 管道壓力波動(dòng) 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測等 5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 力敏元件主要性能指標(biāo)：力敏元件主要性能指標(biāo)：壓力范圍壓力范圍 1kPa1kPa靈敏度靈敏度 0.20.2V/PV/P非線性度非線性度 1 1 F.SF.S頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 1 11000Hz1000Hz標(biāo)準(zhǔn)工作電壓標(biāo)準(zhǔn)工作電壓 4.5V4.5V（DCDC）擴(kuò)充工作電壓擴(kuò)充工作電壓 3 315V(DC)15V(DC)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻 2.2k2.2k擴(kuò)充電阻擴(kuò)充電阻 1k1k12k12k外形尺寸外形尺寸 12.712.77.67.6重重 量量 1.51.5輸出力敏元件地線R=2.2k 電源集成壓電傳感器連線電路OO5.4 壓電