壓電測量技術(shù)

壓電測量技術(shù)第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。利用壓電材料可以制成力敏元件。壓電器件受力、表面形變電荷第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.1壓電式傳感器的工作原理★正壓電效應(yīng)：有些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變。★逆壓電效應(yīng)：在這些材料的極化方向施加電場，它們就會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”，或稱為“電致伸縮效應(yīng)”。壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機械能逆壓電效應(yīng)第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電常數(shù)

壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。

以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力F作用，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷Q，力F與電荷Q之間存在如下關(guān)系：d—壓電常數(shù)F+q=DF第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面積上的力和電荷來表征壓電效應(yīng)時，得到：j方向受力時在i方向上電荷積累的表面密度(即沿i方向的極化強度)；沿方向j施加外力時，單位面積上感受的應(yīng)力；壓電常數(shù)(j方向受應(yīng)力，在i方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù))。第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電常數(shù)dij有兩個下腳注:第1個下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂直于x軸(y軸或z軸)，記作i=1（或2或3）。第2個下腳注：j=1或2、3、4、5、6，分別表示在沿x軸、y軸、z軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于x軸、y軸、z軸的平面內(nèi)作用的剪切力。

第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列方程組決定：

P1、P2、P3：分別為在垂直于x軸、y軸和z軸的表面上產(chǎn)生的總的電荷密度；

σ1、σ2、σ3：表示晶體分別沿x軸、y軸、z軸方向所受的外力分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力；

σ4、σ5、σ6：為剪切應(yīng)力分量。第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下：第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二（k=1、2、3；、2、3、4、5、6）

—沿h方向的應(yīng)變?！豮方向施加的電場。

石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示：

第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二結(jié)論：1）有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。晶體中，哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。2）逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)相等，且一一對應(yīng)。一般有：逆壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機械能逆壓電效應(yīng)第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二★壓電常數(shù)dij的物理意義在“短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。

“短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)”的理想條件。壓電常數(shù)d有時也稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二（1）壓電常數(shù)g：它表示在不計“二次效應(yīng)”的條件下，每單位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度，因此有時也稱為壓電電壓常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)d除以晶體的絕對介電常數(shù)，即：（2）壓電常數(shù)h：它表示在不計“二次效應(yīng)”條件下，每單位機械應(yīng)變在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。因而h常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓電晶體材料的機械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)g和晶體的楊氏模量E的乘積：第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.2壓電材料選擇壓電材料的要求：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高，機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期得到較寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性:壓電特性不隨時間變化。壓電晶體分類：單晶體：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二石英晶體石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。

結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體，有右旋石英晶體和左旋石英晶體之分，其理想外形共包括三十個晶面，分成五組。以m、R、r、s和x表示。六個m面也稱柱面，六個R面也稱大棱面，六個面r也稱為小棱面，還有六個s面和六個x面。第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二x軸：與z軸垂直的平面上，并通過相對兩棱的直線(有三個)，又稱為電軸。y軸：與x軸、z軸垂直的是y軸，又稱為機械軸；z軸：晶體對稱軸，又稱為光軸；x切割：截得的壓電元件之兩個端面與x軸相垂直；y切割：截得的壓電元件中的兩個端面與y軸相垂直。第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電晶體的三種壓電效應(yīng)a)縱向壓電效應(yīng):沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng).第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電晶體的三種壓電效應(yīng)b)橫向壓電效應(yīng):沿機械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng).第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電晶體的三種壓電效應(yīng)c)切向壓電效應(yīng)第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在20～200℃范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是-0.016%/℃，在溫度較低時，壓電常數(shù)的變化很小。居里點：573℃石英晶體的相對介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。機械強度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的單晶組成。1）極化前

它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的“電疇”結(jié)構(gòu)。特點：“電疇”是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任意排列的，雖然每個單晶具有強壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。

原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。

未極化前：不具壓電性第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2）極化后極化處理：在一定溫度下，對壓電陶瓷施加強電場，使電疇的自發(fā)極化方向按外加電場的方向取向。壓電陶瓷1電場撤消，電疇的自發(fā)極化在按原外加電場方向取向，陶瓷內(nèi)極化強度不再為零。撤銷外電場加外電場E第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，即由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。極化方向定義為z軸。壓電陶瓷穩(wěn)定性較石英晶體差。2在陶瓷片極化的兩端就出現(xiàn)束縛正負電荷。在陶瓷片的電極表面上很快吸附了一層來自外界的自由電荷。3自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，起屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用,陶瓷片內(nèi)不表現(xiàn)極性4陶瓷片上加一個與極化方向平行的力,陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形5片內(nèi)的正負束縛電荷之間的距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，原來吸附在極板上的自由電荷，有一部分被釋放6壓力撤消，恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二壓電陶瓷的種類

:①

鈦酸鋇壓電陶瓷②

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷③鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN)④鈮酸鹽系壓電陶瓷需要指出:通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明顯的熱釋電效應(yīng)。第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片或兩片以上組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。1）并聯(lián)法

Q＇=2Q;U＇=Ua;C＇=2Ca壓電元件的結(jié)構(gòu)形式第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2)串聯(lián)法Q＇=Q;U＇=2Ua;C＇=比較：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上負載后時間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場合，相對來說允許被測對象變化頻率稍低。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。

第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.3壓電式傳感器的等效電路9.3.1壓電元件的等效電路

壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。當(dāng)它受到外力作用時，就會在垂直于電軸或垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個表面上聚集正電荷，在另一個表面上聚集等量的負電荷。

可以把壓電式傳感器看作一個靜電電容器。第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二電容量:

S—電容器極板面積；t—壓電元件厚度ε—壓電材料的介電常數(shù)；ε0—真空的介電常數(shù)；εr—壓電材料的相對介電常數(shù)，隨材料不同而變。Ca—壓電元件的內(nèi)部電容。

1.等效電路1）電荷源可等效成為一個電荷源和一個電容的等效電路。第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二電容器上的電壓Ua（開路電壓）、電荷Q與電容Ca之間存在著以下關(guān)系：2)電壓源可以等效為一個電壓源和一個串聯(lián)電容表示的電壓等效電路。第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.3.2壓電傳感器的等效電路

1）測量系統(tǒng)框圖第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2）完整的等效電路Ra為傳感器的絕緣電阻；Ri為前置放大器的輸入電阻；Ca為傳感器內(nèi)部電容Cc為電纜電容；Ci為前置放大器輸入電容。第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二靈敏度有兩種:電壓靈敏度Ku:單位力的電壓;Ku=U/F電荷靈敏度Kq:單位力的電荷;Kq=Q/F兩種靈敏度的關(guān)系:3）壓電傳感器的靈敏度第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.4測量電路

1.引言壓電器件是一個有源電容器：高內(nèi)阻、小功率（信號弱）放大阻抗變換第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二前置放大器作用⑴將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出;⑵起放大傳感器微弱信號的作用。傳感器的輸出可以是電壓信號(把傳感器看作電壓發(fā)生器)；也可以是電荷信號(把傳感器看作電荷發(fā)生器)

傳感器的輸出信號應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的前置放大器。第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二主要區(qū)別：使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其電纜長度變化更為明顯;使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響可忽略不計。前置放大器有兩種：電壓放大器:輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器；電荷放大器:輸出電壓與輸入電荷成比例。第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.4.1電壓放大器

電容器放電特性：電容器兩端的電壓將按指數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定于測量回路的時間常數(shù)，越大，放電越慢；反之，放電就越快。

第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

可見：只有在測量回路開路情況，也就是傳感器本身的絕緣電阻Ra無限大的情況，才能使傳感器的輸出電壓（或電荷）保持不變;如果傳感器本身的絕緣電阻不是足夠大，電荷就會通過這個電阻很快漏掉。傳感器與測量儀器連接應(yīng)考慮:●電纜電容;●前置放大器的輸入電容和輸入電阻;第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二等效電阻R：等效電容C：Ra:傳感器的絕緣電阻；Ri:前置放大器的輸入電阻；Ca:傳感器內(nèi)部電容;Cc:電纜電容；Ci:前置放大器輸入電容。第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

前置放大器的輸入電壓為

設(shè)作用在壓電元件上的力為F，其幅值為Fm，頻率為。即

F=FmSint在力F的作用下，產(chǎn)生的電荷Q為Q=dF

第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二寫成復(fù)數(shù)形式

前置放大器的輸入電壓的幅值Uim第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

輸入電壓與作用力之間的相位差用為

理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器的輸入電阻Ri都為無限大，即等效電阻R為無限大的情況，電荷沒有泄漏（即傳感器的開路電壓）。前置放大器輸入電壓的幅值Uam它與輸入電壓Uim之幅值比第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二令

τ為測量回路的時間常數(shù)

即有：第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系

◆當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（=0）時，前置放大器的輸入電壓等于零。

◆當(dāng)τ>>1時，作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的乘積遠大于1時，前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的變化不大。

◆當(dāng)τ>>3時，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。

第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

說明：在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的。

★但應(yīng)當(dāng)指出:不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)(傳感器的電壓靈敏度是與電容成反比)。

增加測量回路的電容量必然會使傳感器的靈敏度下降低。第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

可行的辦法:提高測量回路的電阻。傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。

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)也就越好。提高前置放大器輸入電阻采取的方法：采用場效應(yīng)管。

壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。

解決電纜問題的方法:將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.4.2電荷放大器電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，且輸出電源正比于輸入電荷。

一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達1010～1012?，而輸出阻抗小于100?。

使用電荷放大器優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。

工作原理電荷放大器是一個具有深度電容負反饋的高增益放大器。

K:放大器的開環(huán)增益

第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

電荷放大器的輸入級采用了場效應(yīng)晶體管，因此放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷Q只對反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓:Usc—放大器輸出電壓；Ucf—反饋電容兩端的電壓。

電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系。第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容Cf小，輸出就大，因此要達到一定的輸出靈敏度要求，必須選擇適當(dāng)容量的反饋電容。電荷放大器輸出電壓公式:

◆由“虛地”原理可知，反饋電容Cf折合到放大器輸入端的有效電容Cf′為第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

◆壓電元件產(chǎn)生的電荷Q不僅對反饋電容充電，同時也對其它所有電容充電。放大器的輸出電壓

可見：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大器的開環(huán)增益K足夠高，并滿足以下條件：

放大器的輸出電壓為

一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻Rf(約108~1010Ω)，其功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定。第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二設(shè)C=Ca+Ci+Cc有Q=Qf+QcUa:Qc=Ua·C電容Cf

的兩端電壓為Uf：Uf:Qf=Uf·CfQ=Ua·C+Uf·Cf

Uf=Ua-UscUsc=-k·Ua∴Uf=（1+k）Ua

Q=Ua·[c+（1+k）·Cf]第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二使用電荷放大器的幾點說明1）輸入端短路場效應(yīng)管作為屬于電流控制型器件，需將傳感器兩端短接。2）漂移由于漏電阻較小，靜態(tài)測量中出現(xiàn)漂移。3）工作頻帶下限：取決于全系統(tǒng)的電氣特性，即時間常數(shù)τ。上限：取決于傳感器的機械特性，與兩種因素有關(guān)：運算放大器的頻率響應(yīng)；電纜長度。4）電標(biāo)或歸一化處理電荷放大器中設(shè)有歸一化開關(guān)，如設(shè)置電荷放大器的放大倍數(shù)為“1”，僅需將放大器上的傳感器靈敏度，設(shè)為所用傳感器的靈敏度，則可由放大器的輸出直接讀出被測物理量的大小。如壓力測量，歸一化處理后，輸出為50mv，則被測壓力為50個機械單位，該單位取決于傳感器的靈敏度單位，如7.12mv/kpa—50kpa。第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

9.5壓電式傳感器

壓電元件直接成為力—電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機械上串聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力結(jié)構(gòu)。

壓電元件的變形方式以利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式為最簡便。

壓電材料的選擇決定:所測力的量值大小、對測量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

晶片數(shù)目:通常使用機械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。

晶片機械串聯(lián)的數(shù)目增加會導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾能力的降低;晶片機械上并聯(lián)的片數(shù)增加會導(dǎo)致傳感器加工精度過高。第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二晶體片為X切割石英晶片，尺寸為8×1mm，上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為0.1~0.5mm,由測力范圍（Fmax=500Kg）決定。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求。否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破壞。提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進行裝配，加蓋之后用電子束封焊。接觸面不可能絕對平坦，需要施加預(yù)緊力，保證全面均勻接觸1.壓電式壓力傳感器YDS—781型單向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2.壓電式壓力傳感器1）結(jié)構(gòu)特點：2）溫度補償方法：3）加速度補償原理(膜片式)第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二1）結(jié)構(gòu)特點●膜片的作用：密封、傳遞壓力，對傳感器內(nèi)部器件進行預(yù)緊；●采用多片晶體機械上串聯(lián)、電氣上并聯(lián)，以提高傳感器的電荷靈敏度；●殼體的剛度較大。2）溫度補償方法●原因：當(dāng)被測環(huán)境的溫度變化時，膜片及傳感器殼體會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓電晶體產(chǎn)生額外的電荷輸出，因此需進行溫度補償。（如測量火藥燃氣壓力）第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二3）加速度補償原理●原因：當(dāng)被測壓力的環(huán)境具有沖擊和振動的影響時，由于壓電晶體及相關(guān)傳感器附件都具有質(zhì)量，則在加速度的作用下會產(chǎn)生慣性力，該慣性力作用在壓電晶體堆上也會因加速度的影響產(chǎn)生附加的電荷輸出?！裱a償方法采用溫度補償金屬塊，選用溫度系數(shù)與膜片及殼體相反的金屬塊。第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二●補償方法：采用加速度補償塊及補償晶片，使加速度產(chǎn)生的額外電荷輸出與補償晶片產(chǎn)生的電荷輸出正好抵消。第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二3.壓電式加速度傳感器引言：加速度測量方法及傳感器分類：絕對式、相對式(慣性式)慣性式:牽連運動相對運動1)結(jié)構(gòu)原理(壓縮式壓電加速度傳感器)第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二2）結(jié)構(gòu)特點●基座：加厚基座或選用剛度較大的材料；●質(zhì)量塊m：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏度；●引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍銀電板；●預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二3）傳遞函數(shù)有：（1）引入：第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二被測加速度為則式（1）可寫成：第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二★結(jié)論：上限頻率取決于傳感器的機械特性；下限頻率取決于測量電路的時間常數(shù)。（4）橫向靈敏度

指傳感器對垂直于主軸平面內(nèi)的加速度的最大靈敏度。第六十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二產(chǎn)生的原因（1）壓電材料性能的不均勻、壓電片表面粗糙或兩個表面不平行、壓電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；（2）晶體片切割或極化方向有偏差；（3）傳感器基座上下兩端互相不平行；（4）基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面不平；（5）質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不緊；（6）傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不對稱。

第六十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二：9.6引起壓電式傳感器測量誤差的因素

9.6.1環(huán)境溫度的影響

周圍環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。

1）石英晶體

石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至200℃，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在200℃～400℃范圍內(nèi)變化也不大。

2）壓電陶瓷

人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體上如圖所示。第六十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定性，一般應(yīng)進行人工老化處理。

人工老化處理:將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加溫和降溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二小時。

第六十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二

壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。

普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。

壓電材料的電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律減小的。

傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)重要的部件。普通電纜是不能耐700℃以上高溫的。

電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機絕緣材料中使絕緣電阻減低。第六十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.6.2環(huán)境濕度的影響

環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能影響很大。如傳感器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。

要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。

零件表面的光潔度要高。

對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)采取防潮密封措施，在容易漏氣或進水的輸出引線接頭處用特殊材料加以密封。

第六十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期二9.6.3電纜噪聲

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