压电式传感器 (3)课件.ppt

关于压电式传感器(3)现在学习的是第1页，共57页 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。效应，是典型的有源传感器。u当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。产生，从而实现非电量测量。u压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。宇航等方面都得到了非常广泛的应用。现在学习的是第2页，共57页5.1 压电效应及压电材料u某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。u当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效应正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。现在学习的是第3页，共57页5.1 压电效应及压电材料u具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机实现机电能量的相互转换电能量的相互转换电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应现在学习的是第4页，共57页5.1 压电效应及压电材料u石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。电材料。u压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。材料。现在学习的是第5页，共57页5.1 压电效应及压电材料u 压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数有：有：（1 1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2 2）弹性常数：压电材料的弹性常数、弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3 3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。下限。现在学习的是第6页，共57页 (4(4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。参数。（5 5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。改善压电传感器的低频特性。（6 6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度点称居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度点称为居里点。为居里点。5.1 压电效应及压电材料现在学习的是第7页，共57页5.1 压电效应及压电材料5.1.1 5.1.1 石英晶体石英晶体u石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2SiO2（二氧化硅），是单晶体结构（二氧化硅），是单晶体结构u它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达固有频率高、动态特性好、工作温度高达550550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%100%、稳定性好。、稳定性好。现在学习的是第8页，共57页5.1 压电效应及压电材料u上图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面上图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。体。石英晶体各个方向的特性是不同的。u其中纵向轴其中纵向轴z z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x x轴称为电轴，与轴称为电轴，与x x和和z z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y y称为机械轴。称为机械轴。现在学习的是第9页，共57页5.1 压电效应及压电材料u把沿电轴把沿电轴x x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”u把沿机械把沿机械y y方向的作用下产生电荷的压电效应称为方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”u沿光轴沿光轴z z方向受力时不产生压电效应。方向受力时不产生压电效应。现在学习的是第10页，共57页5.1 压电效应及压电材料u若从晶体上沿若从晶体上沿y y方向切下一块如图所示晶片，当在电轴方向施加作方向切下一块如图所示晶片，当在电轴方向施加作用力用力 时，在与电轴时，在与电轴x x垂直的平面上将产生电荷垂直的平面上将产生电荷QxQx，其大小为，其大小为式中：式中：x x方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；作用力。作用力。现在学习的是第11页，共57页5.1 压电效应及压电材料u若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y y方向施加作用力方向施加作用力 ，则仍在与，则仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷QyQy，其大小为：，其大小为：式中：式中：y轴方向受力的压电系数，轴方向受力的压电系数，a、b晶体切片长度和厚度。晶体切片长度和厚度。电荷电荷Qx和和Qy的符号由所受力的性质决定。的符号由所受力的性质决定。现在学习的是第12页，共57页5.1 压电效应及压电材料u石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“+”+”代表代表 离子，离子，“-”-”代表氧离子代表氧离子石英晶体压电模型石英晶体压电模型现在学习的是第13页，共57页5.1 压电效应及压电材料u当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成在正六边形的顶角上，形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1P1、P2P2、P3P3。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即，即P1+P2+P3=0P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。u当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿x x轴方向的压力作用时，晶体沿轴方向的压力作用时，晶体沿x x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图（变动。如图（b b）所示，此时正负电荷重心不再重）所示，此时正负电荷重心不再重合，即（合，即（P1+P2+P3P1+P2+P3）x 0 x 0。在。在x x轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在y y方向上的分量仍为零，不出现电荷。方向上的分量仍为零，不出现电荷。现在学习的是第14页，共57页5.1 压电效应及压电材料u当晶体受到沿当晶体受到沿y y轴方向的压力作用时，晶体变形如图（轴方向的压力作用时，晶体变形如图（c c）所示，与图）所示，与图（b b）情况相似，）情况相似，P1P1增大，增大，P2P2、P3 P3 减小。在减小。在x x轴上出现电荷，它的极性为轴上出现电荷，它的极性为x x轴正向为负电荷。在轴正向为负电荷。在y y轴方向上不出现电荷。轴方向上不出现电荷。u如果沿如果沿z z轴方向施加作用力，因为晶体在轴方向施加作用力，因为晶体在x x方向和方向和y y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。u当作用力当作用力FxFx、FyFy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。的方向相反时，电荷的极性也随之改变。现在学习的是第15页，共57页5.1 压电效应及压电材料重量结论：重量结论：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。现在学习的是第16页，共57页5.1 压电效应及压电材料5.1.2 5.1.2 压电陶瓷压电陶瓷u压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷呈中性，压电陶瓷内极化强度为零，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。，不具有压电性质。现在学习的是第17页，共57页5.1 压电效应及压电材料5.1.2 5.1.2 压电陶瓷压电陶瓷u在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，从而在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使材料的极化达到饱使材料得到极化。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。如图。极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。如图。现在学习的是第18页，共57页5.1 压电效应及压电材料u当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系：是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系：上式中：上式中：d d3333 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F 作用力。作用力。现在学习的是第19页，共57页5.1 压电效应及压电材料u压电陶瓷与石英晶体的比较压电陶瓷与石英晶体的比较u压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。但极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和但极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。使其压电特性减弱。现在学习的是第20页，共57页5.2 压电式传感器的等效电路u由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板等量的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为间物质等效于一种介质，则其电容量为式中：式中：AA压电片的面积；压电片的面积；dd压电片的厚度；压电片的厚度；空气介电常数（其值为空气介电常数（其值为8.86 /cm8.86 /cm）；）；压电材料的相对介电常数。压电材料的相对介电常数。现在学习的是第21页，共57页5.2 压电式传感器的等效电路u压电传感器可以等效为一个与电容相串联的压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源电压源。如图所示，电容器上的电压。如图所示，电容器上的电压UaUa、电荷量、电荷量Q Q和电容量和电容量CaCa三者关系为：三者关系为：u由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压受力产生的电压U U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路要以时才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路要以时间常数间常数R RL LC Ce e按指数规律放电。按指数规律放电。现在学习的是第22页，共57页5.2 压电式传感器的等效电路u压电传感器也可以等效为一个电荷源于电容相并联电路，如图压电传感器也可以等效为一个电荷源于电容相并联电路，如图所示。所示。现在学习的是第23页，共57页5.2 压电式传感器的等效电路u压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容因此还须考虑连接电缆的等效电容CcCc，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻RiRi，输入电容，输入电容CiCi以及压电传感器的泄漏电阻以及压电传感器的泄漏电阻RaRa，压电传感器在测量系，压电传感器在测量系统中的实际等效电路：统中的实际等效电路：（a）电压源）电压源 （b）电荷源）电荷源图图 压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路现在学习的是第24页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路u压电传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小。压电传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小。u为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。二是放大传感器输出的微弱信号。u压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。大器。现在学习的是第25页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路1 1电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）现在学习的是第26页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路u下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗的输入阻抗(1000M)(1000M)和很低的输出阻抗和很低的输出阻抗(100)(100)，因此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压电传感器与一般放大，因此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压电传感器与一般放大器匹配。器匹配。图图 电压放大器电压放大器现在学习的是第27页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路uBG1BG1为为MOSMOS场效应管，做阻抗变换，场效应管，做阻抗变换，R R3 3为为100M100M；BG2BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。R R4 4既是既是BG1BG1的源极接地电阻，也是的源极接地电阻，也是BG2BG2的负载电阻，的负载电阻，R R4 4上的交变电压通过上的交变电压通过C C2 2反馈到场效应管反馈到场效应管BG1BG1的输入端，使的输入端，使A A点电位提高，保证较高的点电位提高，保证较高的交流输入阻抗交流输入阻抗。由。由BG1BG1构成的输入极，其输入阻抗为构成的输入极，其输入阻抗为现在学习的是第28页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路u引进引进BG2BG2，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为u式中式中AuAu是是BG1BG1源极输出器的电压增益，其值接近源极输出器的电压增益，其值接近1 1，所以，所以RifRif可以提高到几百到几千兆欧可以提高到几百到几千兆欧现在学习的是第29页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路u电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容长，电缆电容CcCc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，微型电不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。以得到克服，使它具有广泛的应用前景。现在学习的是第30页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路2 2电荷放大器电荷放大器u电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个带电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个带反馈电容反馈电容Cf的高增益运算放大器构成的高增益运算放大器构成,电荷放大器可用前面所讲的等效电路，图中电荷放大器可用前面所讲的等效电路，图中K为运算放大器增益，为运算放大器增益，-K表示放大器的输入与输出反向。表示放大器的输入与输出反向。图图5-8 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路现在学习的是第31页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路u由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，其输出电压分流，其输出电压 为为:式中：式中：放大器输出电压；放大器输出电压；反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。u通常通常A=104A=104106106，因此若满足，因此若满足 时上式可表示为时上式可表示为现在学习的是第32页，共57页5.3 压电式传感器的测量电路u由上式可见，电荷放大器的输出电压由上式可见，电荷放大器的输出电压 与电缆电容与电缆电容CcCc无关，且与无关，且与Q Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。成正比，这是电荷放大器的最大特点。u但电荷放大器的价格比电压放大器高，电路较复杂，调但电荷放大器的价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。整也较困难。u要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。时，会产生过高的输出电压。现在学习的是第33页，共57页5.4 压电式传感器的应用 压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最终能转换成力的多种物理量。终能转换成力的多种物理量。1 1压电式加速度传感器压电式加速度传感器2 2压电式压力传感器压电式压力传感器3 3压电式流量计压电式流量计4 4集成压电式传感器集成压电式传感器5 5压电式传感器在自来水管道测漏中的应用压电式传感器在自来水管道测漏中的应用现在学习的是第34页，共57页运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图1 1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器其其结结构构一一般般有有纵纵向向效效应应型型、横横向向效效应应型型和和剪剪切切效效应应型型三三种种。纵纵向向效效应应是是最最常常见见的的,如如图图。压压电电陶陶瓷瓷4 4和和质质量量块块2 2为为环环型型，通通过过螺螺母母3 3对对质质量量块块预预先先加加载载，使使之之压压紧紧在在压压电电陶陶瓷瓷上上。测测量量时时将将传传感感器器基基座座5 5与与被被测测对对象象牢牢牢牢地地紧紧固固在在一一起。输出信号由电极起。输出信号由电极1 1引出。引出。5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第35页，共57页 当当传传感感器器感感受受振振动动时时，因因为为质质量量块块相相对对被被测测体体质质量量较较小小，因因此此质质量量块块感感受受与与传传感感器器基基座座相相同同的的振振动动，并并受受到到与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力，此此力力F Fmama。同同时时惯惯性性力力作作用用在在压压电电陶陶瓷瓷片上产生电荷为片上产生电荷为3运动方向2145纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图qd33Fd33ma5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第36页，共57页此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。器灵敏度。5.4 压电式传感器的应用qd33Fd33ma现在学习的是第37页，共57页5.4 压电式传感器的应用应用实例：应用实例：微振动检测仪微振动检测仪uPV-96PV-96压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路原理图如图所示。该压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路原理图如图所示。该电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。现在学习的是第38页，共57页5.4 压电式传感器的应用u第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容C C1 1和反馈电阻和反馈电阻R R1 1决定。低频截止频率为决定。低频截止频率为0.053Hz0.053Hz。R RF F是过载保护电阻。是过载保护电阻。现在学习的是第39页，共57页5.4 压电式传感器的应用u第二级为输出调整放大器，调整电位器第二级为输出调整放大器，调整电位器WW1 1可使其输出约为可使其输出约为50mV/gal(1gal=1cm/s50mV/gal(1gal=1cm/s2 2)。现在学习的是第40页，共57页5.4 压电式传感器的应用u在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大,该电路的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，为了该电路的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，为了降低噪声，最有效的方法是减小电荷放大器的反馈电容。降低噪声，最有效的方法是减小电荷放大器的反馈电容。但是当时间常数一定时，由于但是当时间常数一定时，由于C C1 1和和R R1 1呈反比关系，考虑到稳定性，则反馈电容呈反比关系，考虑到稳定性，则反馈电容C C1 1的减小应适当。的减小应适当。现在学习的是第41页，共57页2 2 压电式压力传感器压电式压力传感器根根据据使使用用要要求求不不同同，压压电电式式测测压压传传感感器器有有各各种种不不同同的的结结构构形式。但它们的基本原理相同。形式。但它们的基本原理相同。压压电电式式测测压压传传感感器器的的原原理理简简图图。它它由由引引线线1 1、壳壳体体2 2、基座基座3 3、压电晶片、压电晶片4 4、受压膜片、受压膜片5 5及导电片及导电片6 6组成。组成。5.4 压电式传感器的应用123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图现在学习的是第42页，共57页当当膜膜片片5 5受受到到压压力力P P作作用用后后，则则在在压压电电晶晶片片上上产产生生电电荷荷。在在一一个压电片上所产生的电荷个压电片上所产生的电荷q q为为F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第43页，共57页 测测压压传传感感器器的的输输入入量量为为压压力力P P，如如果果传传感感器器只只由由一一个个压压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：因为因为 ，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第44页，共57页5.4 压电式传感器的应用应用实例：应用实例：基于基于PVDFPVDF压电膜传感器的脉象仪压电膜传感器的脉象仪u由于由于PDVF(PDVF(聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯)压电薄膜具有变力响应灵敏度高、柔韧、易于制备，可紧贴皮肤压电薄膜具有变力响应灵敏度高、柔韧、易于制备，可紧贴皮肤等特点，因此可用人手指端大小的压电膜制成可感应人体脉搏压力等特点，因此可用人手指端大小的压电膜制成可感应人体脉搏压力波变化的脉搏传感器。脉象仪的硬件组成如图波变化的脉搏传感器。脉象仪的硬件组成如图5-105-10所示：所示：压电薄膜线性电荷放大电路带通滤波器和50Hz工频陷波器电压放大器处理器A/D图图5-10 脉象仪的硬件组成脉象仪的硬件组成现在学习的是第45页，共57页5.4 压电式传感器的应用u因压电薄膜内阻很高，且脉搏信号微弱，设计其前置电因压电薄膜内阻很高，且脉搏信号微弱，设计其前置电荷放大器有两个作用，荷放大器有两个作用，一是与换能器阻抗匹配，把高阻抗输入变为低阻抗输出；一是与换能器阻抗匹配，把高阻抗输入变为低阻抗输出；二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。u为提高测量的精度和灵敏度，前置放大电路采用线性为提高测量的精度和灵敏度，前置放大电路采用线性修正的电荷放大电路，可获得较低的下限频率，消除修正的电荷放大电路，可获得较低的下限频率，消除电缆的分布电容对灵敏度的影响，使设计的传感器体电缆的分布电容对灵敏度的影响，使设计的传感器体积小型化。积小型化。u在一般的电荷放大器设计中，时间常数要求很大在一般的电荷放大器设计中，时间常数要求很大(一般在一般在 以上以上)，在小型的，在小型的PVDFPVDF脉搏传感器中，很难实现，因为反馈电容不能选得脉搏传感器中，很难实现，因为反馈电容不能选得太小。太小。现在学习的是第46页，共57页5.4 压电式传感器的应用u在时间常数不足够大的情况下在时间常数不足够大的情况下(小于小于100s)100s)，电荷放大器的输出电压跟换能器受到的压力成非线，电荷放大器的输出电压跟换能器受到的压力成非线性关系，因此需要对电荷放大器进行非线性修正。性关系，因此需要对电荷放大器进行非线性修正。u由于脉搏信号频率很低，是微弱信号，且干扰信号较由于脉搏信号频率很低，是微弱信号，且干扰信号较多，滤波电路在设计中非常重要。多，滤波电路在设计中非常重要。u运算放大器应尽量选择低噪声、低温漂的器件。根运算放大器应尽量选择低噪声、低温漂的器件。根据脉搏信号的特点，以及考虑高频噪声及温度效应据脉搏信号的特点，以及考虑高频噪声及温度效应噪声的影响，带通滤波器的通带频率宽度应选择在噪声的影响，带通滤波器的通带频率宽度应选择在0.5Hz0.5Hz到到100Hz100Hz之间。之间。现在学习的是第47页，共57页3 3 压压电电式式流流量量计计：利利用用超超声声波波在在顺顺流流方方向向和和逆逆流流方方向向的的传传播播速速度度进进行行测测量量。其其测测量量装装置置是是在在管管外外设设置置两两个个相相隔隔一一定定距距离离的的收收发发两两用用压压电电超超声声换换能能器器，每每隔隔一一段段时时间间(如如1/100s)1/100s)，发发射射和和接接收收互互换换一一次次。在在顺顺流流和和逆逆流流的的情情况况下下，发发射射和和接接收收的的相相位位差差与与流流速速成成正正比比。据据这这个个关关系系，可可精精确确测测定定流流速速。流流速速与与管管道道横横截截面面积积的的乘积等于流量。乘积等于流量。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第48页，共57页流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此此流流量量计计可可测测量量各各种种液液体体的的流流速速，中中压压和和低低压压气气体体的的流流速速，不不受受该该流流体体的的导导电电率率、粘粘度度、密密度度、腐腐蚀蚀性性以以及及成成分分的的影影响。其准确度可达响。其准确度可达0.5%0.5%，有的可达到，有的可达到0.01%0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度的变根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况化，测量声速随深度的分布情况5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第49页，共57页4集成压电式传感器是是一一种种高高性性能能、低低成成本本动动态态微微压压传传感感器器，产产品品采采用用压压电电薄薄膜膜作作为为换换能能材材料料，动动态态压压力力信信号号通通过过薄薄膜膜变变成成电电荷荷量量，再再经经传传感感器器内内部部放放大大电电路路转转换换成成电电压压输输出出。该该传传感感器器具具有有灵灵敏敏度度高高，抗抗过过载载及及冲冲击击能能力力强强，抗抗干干扰扰性性好好，操操作作简简便便，体体积积小小、重重量量轻轻、成成本本低低等等特特点点，广广泛泛应应用用于于医医疗疗、工工业业控制、交通、安全防卫等领域。控制、交通、安全防卫等领域。5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第50页，共57页脉搏计照片典型应用：脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第51页，共57页 力敏元件主要性能指标：力敏元件主要性能指标：压力范围压力范围 1kPa1kPa灵敏度灵敏度 0.20.2V/PV/P非线性度非线性度 1 1 F.SF.S频率响应频率响应 1 11000Hz1000Hz标准工作电压标准工作电压 4.5V4.5V（DCDC）扩充工作电压扩充工作电压 3 315V(DC)15V(DC)标准负载电阻标准负载电阻 2.2k2.2k扩充电阻扩充电阻 1k1k12k12k外形尺寸外形尺寸 12.77.612.77.6重重 量量 1.51.5输出力敏元件地线R=2.2k 电源集成压电传感器连线电路OO5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第52页，共57页5压电式传感器在自来水管道测漏中的应用压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O O点为漏点，振动声音从点为漏点，振动声音从O O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V V，在管道上，在管道上A A、B B两点放两点放两只传感器，两只传感器，A A、B B距离为距离为L L（已知或可测），从（已知或可测），从A A、B B两个两个传感器接收的由传感器接收的由O O点传来的点传来的t t0 0时刻发出的振动信号所用时间为时刻发出的振动信号所用时间为tAtA（=LA/V=LA/V）和）和tBtB（=LB/V=LB/V），两者时间差为），两者时间差为 t=tA-tB=t=tA-tB=（LA-LBLA-LB）/V /V （1 1）又又 L=LA+LB L=LA+LB （2 2）LABO点LALB地面 检测原理检测原理5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第53页，共57页因因为为管管道道埋埋设设在在地地下下，看看不不到到O O点点，也也不不知知道道LALA和和LBLB的的长长度度，已知的是已知的是L L和和V V，如果能设法求出，如果能设法求出tt，则联立（，则联立（1 1）+（2 2）得：）得：LA=(L+tV)/2 LA=(L+tV)/2 （3 3）或者将（或者将（1 1）-（2 2）得：）得：LB=LB=（L-tVL-tV）/2 /2 （4 4）关键是确定关键是确定tt，就可准确确定漏点，就可准确确定漏点O O。5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第54页，共57页如如果果从从O O点点出出发发的的是是一一极极短短暂暂的的脉脉冲冲，在在A A、B B两两点点用用双双线线扫扫描描同同时时开开始始记记录录，在在示示波波器器上上两两脉脉冲冲到到达达的的时时间间差差就就是是tt。实实际际的的困困难难在在于于漏漏水水声声是是连连续续不不断断发发出出的的，在在A A、B B两两传传感感器器测测得得的的是是一一片片连连续续不不断断，幅幅度度杂杂乱乱变变化化的的噪噪声声。相相关关检检漏漏仪仪的的功功能能就就是是要要将将这这两两路路表表面面杂杂乱乱无无章章的的信信号号找找出出规规律律来，把它们来，把它们“对齐对齐”，对齐移动所需要的时间就是，对齐移动所需要的时间就是tt。5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第55页，共57页水漏探测仪设计水漏探测仪设计 前前 放放带通滤波带通滤波放放 大大低通滤波低通滤波传感器传感器B发发 送送前前 放放带通滤波带通滤波放放 大大低通滤波低通滤波传感器传感器A主主 机机接接 收收管管 道道5.4 压电式传感器的应用现在学习的是第56页，共57页感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第57页，共57页