压电传感器讲稿.ppt

关于压电传感器第一页，讲稿共四十八页哦 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为力力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏度度高高、信信噪噪比比大大、结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、重重量量轻轻等等优优点点。近近年年来来，由由于于电电子子技技术术的的飞飞速速发发展展，随随着着与与之之配配套套的的低低噪噪声声、小小电电容容、高高绝绝缘缘电电阻阻电电缆缆的的出出现现，使使压压电电传传感感器器的的使使用用更更为为方方便便。因因此此，在在工工程程力力学学、生生物物医医学学、石石油油勘勘探探、声声波波测测井井、电电声声学学等等许许多多技技术术领领域域中中获获得得了了广广泛泛的的应应用。用。第四节第四节 压电式传感器压电式传感器第二页，讲稿共四十八页哦一、压电效应一、压电效应正正压压电电效效应应（顺顺压压电电效效应应）：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复不不带带电电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消消失失的的现现象。象。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第三页，讲稿共四十八页哦（一）石英晶体的压电效应（一）石英晶体的压电效应天天然然结结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体，在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示，其其中中纵纵向向轴轴Z ZZ Z称称为为光光轴轴；经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的X XX X轴轴称称为为电电轴轴；与与X XX X轴轴和和Z ZZ Z轴轴同同时时垂垂直直的的Y YY Y轴轴（垂垂直直于于正正六六面面体体的的棱棱面面）称为称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体(a a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b b)坐标系坐标系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴X XX X方向的方向的力作用下产生电荷的压电力作用下产生电荷的压电效应称为效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y YY Y方向方向的力作用下产生电荷的压的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为“横向压电效横向压电效应应”，沿光轴，沿光轴Z ZZ Z方向受方向受力则不产生压电效应。力则不产生压电效应。第四页，讲稿共四十八页哦石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影，如如图图(a)。为为讨讨论论方方便便，将将这这些些硅硅、氧氧离离子子等等效效为为图图(b)中中正正六六边边形形排排列列，图中图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+第五页，讲稿共四十八页哦 当当作作用用力力FX=0时时，正正、负负离离子子（即即Si4+和和2O2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120 夹夹角角的的偶偶极极矩矩P1、P2、P3，如如图图（a）所所示示。此此时时正正负负电电荷荷中中心心重重合合，电电偶极矩的矢量和等于零，即偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30当当晶晶体体受受到到沿沿X方方向向的的压压力力（FX0在在Y、Z方向上的分量为方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由由上上式式看看出出，在在X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷荷，在在Y、Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3第六页，讲稿共四十八页哦可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向方向产生正压电效应，而产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。晶晶体体在在Y轴轴方方向向力力FY作作用用下下的的情情况况与与FX相相似似。当当FY0时时，晶晶体体的的形形变变与与图图（b）相相似似；当当FY0时时，则则与与图图（c）相相似似。由由此此可可见见，晶晶体体在在Y（即即机机械械轴轴）方方向向的的力力FY作作用用下下，使使它它在在X方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用时，其变化情）作用时，其变化情况如图（况如图（c）。此时电极矩的三个分量为）。此时电极矩的三个分量为在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。第七页，讲稿共四十八页哦晶晶体体在在Z轴轴方方向向力力FZ的的作作用用下下，因因为为晶晶体体沿沿X方方向向和和沿沿Y方方向向所所产产生生的的正正应应变变完完全全相相同同，所所以以，正正、负负电电荷荷中中心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这这就就表表明明，沿沿Z(即即光光轴轴)方方向的力向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。作用下，晶体不产生压电效应。假假设设从从石石英英晶晶体体上上切切下下一一片片平平行行六六面面体体晶晶体体切切片片，使使它它的的晶晶面面分分别别平平行行于于X、Y、Z轴轴，如如图图。并并在在垂垂直直X轴轴方方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿当晶片受到沿X轴方向的轴方向的压缩应力压缩应力XX作用时，晶片将作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围现象。在晶体线性弹性范围内，内，极化强度极化强度PXX与应力与应力XX成成正比，正比，即即ZYXbl石英晶体切片t第八页，讲稿共四十八页哦式中式中:XX X轴方向的压缩应力轴方向的压缩应力；d11压电系数压电系数，FXX轴方向的施加的压力轴方向的施加的压力；当当受受力力方方向向和和变变形形不不同同时时，压压电电系系数数也也不不同同，石石英英晶晶体体d11=2.310-12CN-1；l、b石英晶片的长度和宽度石英晶片的长度和宽度。极化强度极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中式中 qX垂直于垂直于X轴平面上的电荷轴平面上的电荷。极化强度极化强度PXX:第九页，讲稿共四十八页哦 极化强度极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即在数值上等于晶面上的电荷密度，即将上两式整理，得将上两式整理，得 式中式中 电极面间电容。电极面间电容。其极间电压为其极间电压为极化强度极化强度P PXXXX:第十页，讲稿共四十八页哦在在X轴轴方方向向施施加加压压力力时时，左左旋旋石石英英晶晶体体的的X轴轴正正向向带带正正电电；如如果果作作用用力力FX改改为为拉拉力力，则则在在垂垂直直于于X轴轴的的平平面面上上仍仍出出现现等等量量电电荷，但极性相反，见图荷，但极性相反，见图(a)、(b)。FXFX+(a)(b)XX 如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着着机机械械轴轴的的方方向向，其其电电荷荷仍在与仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（）、（d）.+(c)(d)FYFYXX第十一页，讲稿共四十八页哦 在在同同一一晶晶片片上上，当当作作用用力力是是沿沿机机械械轴轴的的方方向向时时，在在与与X轴垂直平面上出现的电荷的大小为轴垂直平面上出现的电荷的大小为：根据石英晶体轴对称条件：根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为，则上式为式中式中t晶片厚度。晶片厚度。则其极间电压为则其极间电压为l、t石英晶片的长度和厚度。石英晶片的长度和厚度。式中式中d12石英晶体在石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。轴方向受力时的压电系数。第十二页，讲稿共四十八页哦由上述可知：由上述可知：无无论论是是正正或或逆逆压压电电效效应应，其其作作用用力力（或或应应变变）与与电电荷荷（或电场强度）之间呈线性关系；（或电场强度）之间呈线性关系；晶晶体体在在哪哪个个方方向向上上有有正正压压电电效效应应，则则在在此此方方向向上上一一定定存存在逆压电效应；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。第十三页，讲稿共四十八页哦（二）（二）压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质质，是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。直流电场直流电场直流电场直流电场E E剩余极化强度剩余极化强度剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(a a)极化处理前极化处理前极化处理前极化处理前(b b)极化处理中极化处理中极化处理中极化处理中(c c)极化处理后极化处理后极化处理后极化处理后 电电电电畴畴畴畴是是是是分分分分子子子子自自自自发发发发形形形形成成成成的的的的区区区区域域域域，它它它它有有有有一一一一定定定定的的的的极极极极化化化化方方方方向向向向，从从从从而而而而存存存存在在在在一一一一定定定定的的的的电电电电场场场场。在在在在无无无无外外外外电电电电场场场场作作作作用用用用时时时时，各各各各个个个个电电电电畴畴畴畴在在在在晶晶晶晶体体体体上上上上杂杂杂杂乱乱乱乱分分分分布布布布，它它它它们们们们的的的的极极极极化化化化效效效效应应应应被被被被相相相相互互互互抵抵抵抵消消消消，因因因因此此此此原原原原始始始始的的的的压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷内内内内极极极极化化化化强强强强度度度度为为为为零零零零，见图（见图（见图（见图（a a a a）。）。）。）。第十四页，讲稿共四十八页哦 当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以化强度总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。内的极化程度，如图。自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图的自由电荷示意图第十五页，讲稿共四十八页哦 如如果果在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F F，如如图图，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变（图图中中虚虚线线），片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释释放放，而而出出现现放放电电荷荷现现象象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状(这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程)，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因因此此电电极极上上又又吸吸附附一一部部分分自自由由电电荷荷而而出出现现充充电电现现象象。这这种种由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F第十六页，讲稿共四十八页哦 同同样样，若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，如如图图，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，就就是是说说，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图图中中虚虚线线）。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于电电效效应应而而转转变变为为机机械械效效应应或或者者由由电电能能转转变变为为机机械械能能的的现现象象，就就是是逆逆压压电电效效应。应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）极化方向电场方向第十七页，讲稿共四十八页哦 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷极化电荷是束缚电荷，而不是自由，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。自由电荷的释放或补充的结果。直流电场直流电场直流电场直流电场E E剩余极化强度剩余极化强度剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(a a)极化处理前极化处理前极化处理前极化处理前(b b)极化处理中极化处理中极化处理中极化处理中(c c)极化处理后极化处理后极化处理后极化处理后 第十八页，讲稿共四十八页哦二、压电材料二、压电材料种类种类：n压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。机机械械性性能能。压压电电元元件件作作为为受受力力元元件件，希希望望它它的的机机械械强强度度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电电性性能能。希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以减减弱弱外外部部分分布电容的影响并获得良好的低频特性。布电容的影响并获得良好的低频特性。环环境境适适应应性性强强。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，要要求求具具有有较较高高的居里点，获得较宽的工作温度范围。的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。第十九页，讲稿共四十八页哦（一）（一）石英晶体石英晶体石石英英（SiO2）是是一一种种具具有有良良好好压压电电特特性性的的压压电电晶晶体体。其其介介电电常常数数和和压压电电系系数数的的温温度度稳稳定定性性相相当当好好，在在常常温温范范围围内内这这两两个参数几乎不随温度变化，如下两图。个参数几乎不随温度变化，如下两图。由由图图可可见见，在在20200200范范围围内内，温温度度每每升升高高1，压压电电系系数数仅仅减减少少0.0160.016。但但是是当当到到573时时，它它完完全全失失去去了了压压电电特性，这就是它的特性，这就是它的居里点居里点。1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：0.016/t石英的石英的石英的石英的d d1111系数系数系数系数相对于相对于相对于相对于2020的的的的d d1111温度变化特温度变化特温度变化特温度变化特性性性性6543210100200300400500600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性第二十页，讲稿共四十八页哦石石英英晶晶体体的的突突出出优优点点是是性性能能非非常常稳稳定定，机机械械强强度度高高，绝绝缘缘性性能能也也相相当当好好。但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵贵，且且压压电电系系数数比比压压电电陶陶瓷瓷低得多。因此一般仅用于低得多。因此一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。或要求较高的传感器中。因因为为石石英英是是一一种种各各向向异异性性晶晶体体，因因此此，按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片，其其物物理理性性质质（如如弹弹性性、压压电电效效应应、温温度度特特性性等等）相相差差很很大大。为为了了在在设设计计石石英英传传感感器器时时，根根据据不不同同使使用用要要求求正正确确地地选选择择石石英英片片的切型。的切型。第二十一页，讲稿共四十八页哦（二）（二）压电陶瓷压电陶瓷1 1、钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛钛酸酸钡钡（BaTiO3）是是由由碳碳酸酸钡钡（BaCO3）和和二二氧氧化化钛钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它它具具有有很很高高的的介介电电常常数数和和较较大大的的压压电电系系数数（约约为为石石英英晶晶体体的的50倍倍）。不不足足之之处处是是居居里里温温度度低低（120），温温度度稳稳定定性性和机械强度不如石英晶体。和机械强度不如石英晶体。2 2、锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆锆钛钛酸酸铅铅与与钛钛酸酸钡钡相相比比，压压电电系系数数更更大大，居居里里温温度度在在300以以上上，各各项项机机电电参参数数受受温温度度影影响响小小，时时间间稳稳定定性性好好。此此外外，在在锆锆钛钛酸酸中中添添加加一一种种或或两两种种其其它它微微量量元元素素（如如铌铌、锑锑、锡锡、锰锰、钨钨等等）还还可可以以获获得得不不同同性性能能的的PZT材材料料。因因此此锆锆钛钛酸酸铅铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。第二十二页，讲稿共四十八页哦（三）压电半导体材料（三）压电半导体材料硫化锌，氧化锌，硫化镉，碲化锌，砷化镓等硫化锌，氧化锌，硫化镉，碲化锌，砷化镓等特点：既具有半导体特性，又具有压电效应。用半导体特性制特点：既具有半导体特性，又具有压电效应。用半导体特性制作电子器件，用压电效应研制传感器，或两者结合，集元件与作电子器件，用压电效应研制传感器，或两者结合，集元件与线路于一体，制成新型集成压电传感器。线路于一体，制成新型集成压电传感器。3 3 3 3、压电聚合物、压电聚合物、压电聚合物、压电聚合物 聚聚二二氟氟乙乙烯烯（PVFPVF2 2）是是是是目目目目前前前前发发发发现现现现的的的的压压压压电电电电效效效效应应应应较较较较强强强强的的的的聚聚合合物薄膜物薄膜。经经延延展展和和拉拉伸伸后后可可以以使使这这种种聚聚合合物物薄薄膜膜分分分分子子子子链链轴轴成成成成规规规规则则则则排排排排列列列列，并并并并在在在在与与与与分分分分子子子子轴轴轴轴垂垂垂垂直直直直方方方方向向向向上上上上产产产产生生生生自自发发极极化化偶偶极极子子。当当当当在在在在膜膜膜膜厚厚厚厚方方方方向向向向加加加加直直直直流流流流高高高高压压压压电电电电场场场场极极极极化化化化后后后后，就就就就可可可可以以以以成成成成为为为为具具具具有有有有压压压压电电电电性性性性能能能能的的的的高高高高分分分分子子子子薄薄薄薄膜膜膜膜。这这这这种种种种薄薄薄薄膜膜膜膜有有有有可可可可挠挠挠挠性性性性，并并并并容容容容易易易易制制制制成成成成大大大大面面面面积积积积压压压压电电电电元元元元件件件件。这这这这种种种种元元元元件件件件耐耐耐耐冲冲冲冲击击击击、不不不不易易易易破破破破碎碎碎碎、稳稳稳稳定定定定性性性性好好好好、频频频频带带带带宽宽宽宽。为为为为提提提提高高高高其其其其压压压压电电电电性性性性能能能能还还还还可可可可以以以以掺掺掺掺入入入入压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷粉粉粉粉末末末末，制制制制成成成成混混混混合合合合复复复复合合合合材材材材料料料料(PVFPVF2 2PZTPZT)。第二十三页，讲稿共四十八页哦三、三、压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路（一）等效电路（一）等效电路 当当当当压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器中中中中的的的的压压压压电电电电晶晶晶晶体体体体承承承承受受受受被被被被测测测测机机机机械械械械应应应应力力力力的的的的作作作作用用用用时时时时，在在在在它它它它的的的的两两两两个个个个极极极极面面面面上上上上出出出出现现现现极极极极性性性性相相相相反反反反但但但但电电电电量量量量相相相相等等等等的的的的电电电电荷荷荷荷。可可可可把把把把压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器看看看看成成成成一一一一个个个个静静静静电电电电发发发发生生生生器器器器，如如如如图图图图(a a)。也也也也可可可可把把把把它它它它视视视视为为为为两两两两极极极极板板板板上上上上聚集异性电荷，中间为绝缘体的聚集异性电荷，中间为绝缘体的聚集异性电荷，中间为绝缘体的聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器电容器电容器电容器，如图，如图(b)。其电容量为其电容量为其电容量为其电容量为 qq电极电极电极电极压电晶体压电晶体压电晶体压电晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路当两极板聚集异当两极板聚集异性电荷时，则两极板性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其呈现一定的电压，其大小为：大小为：第二十四页，讲稿共四十八页哦 压压电电传传感感器器可可等等效效为为电电压压源源Ua和和一一个个电电容容器器Ca的的串串串串联联联联电路，如图电路，如图(a a)；也也可可等等效效为为一一个个电电荷荷源源q q和和一一个个电电容容器器Ca的的并并并并联联联联电电路路，如图如图(b)。qCaUaUaq/Caq UaCaCa（a a）电压等效电路电压等效电路电压等效电路电压等效电路 （b b）电荷等效电路电荷等效电路电荷等效电路电荷等效电路压电传感器等效原理压电传感器等效原理压电传感器等效原理压电传感器等效原理 传传感感器器内内部部信信号号电电荷荷无无“漏漏损损”，外外电电路路负负载载无无穷穷大大时时，压压电电传传感感器器受受力力后后产产生生的的电电压压或或电电荷荷才才能能长长期期保保存存，否否则则电电路路将将以以某某时时间间常常数数按按指指数数规规律律放放电电。事事实实上上，传传感感器器内内部部不不可可能能没没有有泄泄漏漏（R Ra a)，外外电电路路负负负负载载载载也也也也不不不不可可可可能能能能无无无无穷穷穷穷大大大大，只只有有外外力力以以较较高高频频率率不不断断地地作作用用，传传感感器器的的电电荷荷才才能能得得以以补补充充，因因此此，压压电电晶晶体体不不适适合合于于静静态态测测量量。这这对对于于静静态态标标定定以以及及低低频频准准静静态测量极为不利，必然带来误差。态测量极为不利，必然带来误差。第二十五页，讲稿共四十八页哦如果用导线将压电传感器和测量电路连接时如果用导线将压电传感器和测量电路连接时如果用导线将压电传感器和测量电路连接时如果用导线将压电传感器和测量电路连接时,则应考虑连线的则应考虑连线的则应考虑连线的则应考虑连线的等效等效等效等效电容电容电容电容Cc，前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻R Ri i、输入电容、输入电容、输入电容、输入电容C Ci i。CaRaCcRiCiq压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器的完整等效的完整等效的完整等效的完整等效电路电路电路电路Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容前置放大器输入电容Cc连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻可可见见，压压电电传传感感器器的的绝绝缘缘电电阻阻R Ra a与与前前置置放放大大器器的的输输入入电电阻阻R Ri i相相并并联联。为为保保证证传传感感器器和和测测试试系系统统有有一一定定的的低低频频或或准准静静态态响响应应，要要求求压压电电传传感感器器绝绝缘缘电电阻阻应应保保待待在在10101313以以上上，才才能能使使内内部部电电荷荷泄泄漏漏减减少少到到满满足足一一般般测测试试精精度度的的要要求求。与与此此相相应应，前前置置放放大大器器要要有有相相当当高高的的输输入入阻阻抗抗，亦亦即即测测试试系系统统则则应应有有较较大大的的时时间常数。间常数。第二十六页，讲稿共四十八页哦（二）（二）测量电路测量电路u电压放大器电压放大器 其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；u电荷放大器电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。前置放大器形式：前置放大器形式：放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：第二十七页，讲稿共四十八页哦 图图图图中中中中，Ri前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻和和漏漏电电阻阻Ra的的等等等等效效效效电电电电阻阻阻阻R R为为为为C1=Cc+Ci Ci前置放大器输入电容前置放大器输入电容 和和Cc连线电容的等效电容为连线电容的等效电容为1 1 1 1、电压放大器、电压放大器、电压放大器、电压放大器 传感器等效电路传感器等效电路传感器等效电路传感器等效电路为电压源为电压源为电压源为电压源1 1Ua1 1RaCcCiRiCa第二十八页，讲稿共四十八页哦1 1、电压放大器、电压放大器 由图可得放大器输入由图可得放大器输入端的电压端的电压Ui为：为：而而式中式中：C=C1+Ca=Cc+Ci1 1传感器等效电路传感器等效电路传感器等效电路传感器等效电路为电压源为电压源为电压源为电压源第二十九页，讲稿共四十八页哦Fm作用力的幅值作用力的幅值假设压电元件所受作用力假设压电元件所受作用力 若若压压电电元元件件材材料料是是压压电电陶陶瓷瓷，其其压压电电系系数数为为d d3333，则则在在外外力作用下，压电元件产生的电压值为力作用下，压电元件产生的电压值为 Um电压幅值电压幅值 所以所以第三十页，讲稿共四十八页哦由图由图(b b)可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压Ui为为将将代入代入Ui的幅值的幅值Uim为为输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为第三十一页，讲稿共四十八页哦Ui的幅值的幅值Uim为为令令=R(Ca+Cc+Ci)=RC，为测量回路的时间常数为测量回路的时间常数，并令，并令0=1/，则可得则可得可可见见，如如果果/01，即即作作用用力力变变化化频频率率与与测测量量回回路路时时间间常常数数的的乘乘积积远远大大于于1 1时时。前前置置放放大大器器的的输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关。一一般般认认为为/03，可可近近似似看看作作输输入入电电压压与与作作用用力力频频率率无无关关。这这说说明明，在在测测量量回回路路时时间间常常数数一一定定的的条条件件下下，压压电电式式传传感感器器具具有相当好的高频响应特性有相当好的高频响应特性。当当被被测测动动态态量量变变化化缓缓慢慢，而而测测量量回回路路时时间间常常数数不不大大时时，会会造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降，因因而而要要扩扩大大工工作作频频带带的的低低频频端端，就必须提高测量回路的时间常数就必须提高测量回路的时间常数。第三十二页，讲稿共四十八页哦因为因为R1，故上式可以近似为，故上式可以近似为可可见见，Ku与与回回路路电电容容成成反反比比，增增加加回回路路电电容容必必然然使使Ku下下降降。当当改改变变连连接接传传感感器器与与前前置置放放大大器器的的电电缆缆长长度度时时Cc将将改改变变，必必须须重重新新校校正灵敏度值。正灵敏度值。靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得的定义得 增增大大测测量量回回路路的的电电容容来来提提高高时时间间常常数数.所所以以，常常将将R Ri i很很大大的的前前置置放放大大器器接接入入回回路路。其其输输入入内内阻阻越越大大，测测量量回回路路时时间间常常数数越越大大，则则传传感感器器低频响应也越好。低频响应也越好。第三十三页，讲稿共四十八页哦 2 2、电荷放大器、电荷放大器电电荷荷放放大大器器是是一一个个具具有有深深度度负负反反馈馈的的高高增增益益放放大大器器，其其基基本本电电路路如如图图。若若放放大大器器的的开开环环增增益益A0足足够够大大，并并且且放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗很很高高，则则放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，运运算算电电流流仅流入反馈回路仅流入反馈回路CF与与RF。由图可知。由图可知i的表达式为：的表达式为：A0CaUUSC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF第三十四页，讲稿共四十八页哦A0CaUUSC电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图iRaqCFRF 画出电荷放大器的等效电画出电荷放大器的等效电路图路图A0CaRaRCUSCUq CF、RF等等效效到到A0的的输输入入端端时时，电电容容CF将将增增大大(1A0)倍倍。电电导导1RF也也增增大大了了(1A0)倍倍。所所以以图图中中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，这就是所谓，这就是所谓“密勒效应密勒效应”的结果。的结果。第三十五页，讲稿共四十八页哦A0CaRaRCUSCUq运放输入电压运放输入电压输出电压输出电压C=(1A0)CF；1/R=(1A0)RF电荷放大器的等效电路图电荷放大器的等效电路图第三十六页，讲稿共四十八页哦当当A0足足够够大大时时,传传感感器器本本身身的的电电容容和和电电缆缆长长短短将将不不影影响响电电荷荷放放大大器器的的输输出出。因因此此输输出出电电压压USC只只决决定定于于输输入入电电荷荷q及及反反馈馈回回路的参数路的参数CF。若考虑电缆电容若考虑电缆电容Cc，则有，则有可见当可见当A0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入电荷无关，只取决于输入电荷q和反馈电容和反馈电容CF，改变，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。的大小便可得到所需的电压输出。CF一般取值一般取值100-104pF。第三十七页，讲稿共四十八页哦四、压电式传感器的应用四、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（四）集成压电式传感器（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用USC与与q间的相位差为间的相位差为第三十八页，讲稿共四十八页哦 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Fma。同同时时惯惯性性力力作作用用在压电陶瓷片上产生电荷为在压电陶瓷片上产生电荷为 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（一一）压压电电式式加加速速度度传传感感器器 其其结结构构一一般般有有纵纵向向效效应应型型、横横向效应型和剪切效应型三种。向效应型和剪切效应型三种。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和和质质质质量量量量块块块块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起。输输出出信信号号由由电极电极1 1引出。引出。qd33Fd33ma第三十九页，讲稿共四十八页哦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的的压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，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。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，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提敏度。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器灵敏度。高传感器灵敏度。qd d33Fd d3333ma第四十页，讲稿共四十八页哦连连接接方方式式：图图(a)为为并并联联形形式式，片片上上的的负负极极集集中中在在中中间间极极上上，其其输输出出电电容容C为为单单片片电电容容C的的两两倍倍，但但输输出出电电压压U等等于于单单片片电电压压U，极板上电荷量，极板上电荷量q为单片电荷量为单片电荷量q的两倍，即的两倍，即 图图(b)为为串串联联形形式式，正正电电荷荷集集中中在在上上极极板板，负负电电荷荷集集中中在在下下极极板板，而而中中间间的的极极板板上上产产生生的的负负电电荷荷与与下下片片产产生生的的正正电电荷荷相相互互抵消。从图中可知，输出的总电荷抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单等于单片电荷片电荷q，而输出电压，而输出电压U为单片电压为单片电压U的二倍，总电容的二倍，总电容C为单片电容为单片电容C的一半，的一半，即即+(a)并联(b)串联叠层式压电元件