压电式传感器 (2)精选PPT.ppt

关于压电式传感器(2)第1页，讲稿共60张，创作于星期日 第六章 压电式传感器压电加速度计 压电陶瓷超声换能器压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电警号压电警号第2页，讲稿共60张，创作于星期日6.1 压电效应压电效应 6.2 压电材料压电材料6.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用压电式传感器应用 第六章 压电式传感器第3页，讲稿共60张，创作于星期日一、压电效应的基本概念一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 1 1、正压电效应、正压电效应某某些些物物质质沿沿某某一一方方向向受受到到外外力力作作用用时时，会会产产生生变变形形，同同时时内内部部产产生生极极化化现现象象，在在这这种种材材料料的的两两个个表表面面产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电的的状状态态，这这种种现现象象称为压电效应。称为压电效应。F FF F F=0F=0F F F F当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这这种种机机械械能能转转化化为为电电能能的的现现象象称称为为“正正压电效应压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。第4页，讲稿共60张，创作于星期日一、压电效应的基本概念一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 2 2、逆压电效应、逆压电效应当当在在某某些些物物质质的的极极化化方方向向上上施施加加电电场场，这这些些材材料料在在某某一一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。这这种种电电能能转转化化为为机机械械能能的的现现象象称称为为“逆逆压压电电效效应应”或或“电电致致伸伸缩缩效效应应”。压电元件压电元件机机械械能能电电能能应力应力应变应变电荷电荷电场电场3 3、压电效应的特点、压电效应的特点（1 1）压电效应具有可逆性）压电效应具有可逆性第5页，讲稿共60张，创作于星期日一、压电效应的基本概念一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 3 3、压电效应的特点、压电效应的特点（2 2）具有瞬时性）具有瞬时性当当力力的的方方向向改改变变时时，电电荷荷的的极极性性随随之之改改变变，输输出出电电压压的的频频率率与与动态力的频率相同。动态力的频率相同。（3 3）具有不稳定性）具有不稳定性当当动动态态力力变变为为静静态态力力时时，电电荷荷将将由由于于表表面面漏漏电电而而很很快快泄泄漏漏、消失。消失。第6页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 压电单晶体：压电单晶体：石石英英(包包括括天天然然石石英英和和人人造造石石英英)、水水溶溶性性压压电电晶晶体体(包包括括酒酒石石酸酸钾钾钠钠、酒酒石石酸酸乙乙烯烯二二铵铵、酒酒石石酸酸二二钾钾、硫硫酸酸锤锤等等)。常见的压电材料可分为两类：常见的压电材料可分为两类：压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体和多晶体压电陶瓷。多晶体压电陶瓷：多晶体压电陶瓷：钛钛酸酸钡钡压压电电陶陶瓷瓷、锆锆钛钛酸酸铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷、铌铌酸酸盐盐系系压压电电陶陶瓷瓷和和铌铌镁镁酸酸铅铅压压电电陶瓷等。陶瓷等。天然石英天然石英压电陶瓷压电陶瓷第7页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 天天然然石石英英晶晶体体，结结构构形形状状为为一一个个六角形晶柱，两端为一对称的棱锥。六角形晶柱，两端为一对称的棱锥。在在晶晶体体学学中中，用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴建建立立描描述述晶晶体体结结构构形形状状的的坐坐标标系。系。纵纵轴轴Z Z称称为为光光轴轴，通通过过六六棱棱线线而而垂垂直直于于光光铀铀的的X X铀铀称称为为电电轴轴，与与X-XX-X轴轴和和Z-ZZ-Z轴轴垂垂直直的的Y-YY-Y轴轴 (垂垂直直于于六六棱棱柱柱体体的棱面的棱面)称为称为机械轴机械轴。1 1、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应第8页，讲稿共60张，创作于星期日如如果果从从石石英英晶晶体体中中切切下下一一个个平平行行六六面面体体并并使使其其晶晶面面分分别别平平行行于于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴轴线线。晶晶片片在在正正常常情情况况下下呈呈现现电电性。性。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 1 1、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应纵纵向向压压电电效效应应：沿沿电电轴轴(X(X轴轴)方方向向的的作作用用力力产产生生的的压压电效应。电效应。横横向向压压电电效效应应：沿沿机机械械轴轴(Y(Y轴轴)方方向向的的作作用用力力产产生生的的压压电效应电效应切向压电效应：切向压电效应：沿相对两棱加力时产生的压电效应。沿相对两棱加力时产生的压电效应。沿光轴沿光轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产生压电效应。方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。第9页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理+x xy y+-第10页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理F Fx x=0=0 x xy y+P P1 1P P2 2P P3 3-+-F Fx x00 x x+F Fx xy y+-P P1 1P P2 2P P3 3-+-+-第11页，讲稿共60张，创作于星期日F Fx xF Fx x000y yx x+F Fx xF Fx xP P2 2P P3 3P P1 1+-+第13页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理F Fy yF Fy y第14页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 d11压压电电系系数数。下下标标的的意意义义为为产产生生电电荷荷的的面面的的轴轴向向及及施施加加作作用用力力的的轴轴向向；a、b、c石石英英晶晶片片的的长长度度、厚度和宽度。厚度和宽度。3 3、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应作用力与电荷关系作用力与电荷关系若若从从晶晶体体上上沿沿y y方方向向切切下下一一块块晶晶片片，当当沿沿电电轴轴x x方方向向施施加加应应力力时时，晶晶片片将将产产生生厚厚度度变变形形，并并发发生生极极化化现现象象。在在晶晶体体线线性性弹弹性性范范围围内内，极极化化强强度度与与应力成正比。应力成正比。在垂直于在垂直于x x轴晶面上产生的电荷量为轴晶面上产生的电荷量为y yx xz zO Ox xz zy ya ac cb b第15页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 d11=-d12，石英晶体轴对称条件。，石英晶体轴对称条件。若若在在同同一一切切片片上上，沿沿机机械械轴轴y y方方向向施施加加应应力力，则则仍仍在与在与x x轴垂直的平面上产生电荷为轴垂直的平面上产生电荷为y yx xz zO Ox xz zy ya ac cb b产产生生电电荷荷q11和和q12的的符符号号，决决定定于于受受压压力力还还是是受拉力。受拉力。3 3、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应作用力与电荷关系作用力与电荷关系第16页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 4 4、石英晶体压电效应特点、石英晶体压电效应特点第17页，讲稿共60张，创作于星期日压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电材料。电材料。材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴，有一定的极化方向，从而存在电场。畴，有一定的极化方向，从而存在电场。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应极化处理前极化处理前极化处理前极化处理前极化处理后极化处理后极化处理后极化处理后在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶瓷内极化强度为零。陶瓷内极化强度为零。因因此此，原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈中中性性，不不具具有压电性质。有压电性质。第18页，讲稿共60张，创作于星期日在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度，即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时，当当外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本不不变变化化，即即剩剩余余极极化化强强度度很很大大，这这时时材材料料才才具具有有压压电电特特性。性。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应极化处理前极化处理前极化处理前极化处理前极化处理后极化处理后极化处理后极化处理后极极化化处处理理后后压压电电陶陶瓷瓷才才具具有有压压电电特特性。性。第19页，讲稿共60张，创作于星期日陶陶瓷瓷片片内内的的极极化化强强度度总总是是以以电电偶偶极极矩矩的的形式表现出来：形式表现出来：在在陶陶瓷瓷的的一一端端出出现现正正束束缚缚电电荷荷，另另一一端出现负束缚电荷。端出现负束缚电荷。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应陶瓷片内束缚电荷与电极上陶瓷片内束缚电荷与电极上陶瓷片内束缚电荷与电极上陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图吸附的自由电荷示意图吸附的自由电荷示意图吸附的自由电荷示意图极化方向极化方向极化方向极化方向-自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极-由由于于束束缚缚电电荷荷的的作作用用，在在陶陶瓷瓷片片的的电电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这这些些自自由由电电荷荷与与陶陶瓷瓷片片内内的的束束缚缚电电荷荷符符号号相相反反而而数数量量相相等等，屏屏蔽蔽和和抵抵消消了了陶瓷片内极化强度对外界的作用。陶瓷片内极化强度对外界的作用。因因此此，无无外外力力或或外外场场作作用用时时，极极化化处处理理后后的的压压电电陶陶瓷瓷也也表表现现不不出出来来对对外外界界的的电电场或应力。场或应力。第20页，讲稿共60张，创作于星期日-极化方向极化方向极化方向极化方向（1 1）正压电效应）正压电效应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压力的压力F F，陶瓷片产生压缩形变。，陶瓷片产生压缩形变。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，极化强度也变小。极化强度也变小。释释放放部部分分吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，而出现而出现放电现象放电现象。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应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，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自由电荷而出现分自由电荷而出现充电现象充电现象。这这些些过过程程出出现现的的电电现现象象为正压电效应。为正压电效应。F F-极化方向极化方向极化方向极化方向第21页，讲稿共60张，创作于星期日电电电电场场场场方方方方向向向向极化方向极化方向极化方向极化方向-（2 2）逆压电效应）逆压电效应若若在在压压电电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，电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大。大。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大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应同同理理，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变。形变。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，就就是是压压电电陶陶瓷瓷的的逆逆压压电电效效应应或或电电致致伸缩效应。伸缩效应。第22页，讲稿共60张，创作于星期日（3 3）电荷量与作用力的关系）电荷量与作用力的关系与与石石英英晶晶体体不不同同，通通常常取取压压电电陶陶瓷瓷的的极极化化方方向向为为z z轴轴，垂垂直直于于z z轴轴的的平平面面上上任任何何直直线线都都可作为可作为x x或或y y轴。轴。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应d33为压电陶瓷的压电系数。为压电陶瓷的压电系数。因因此此，在在z z轴轴方方向向上上受受力力时时，在在极极化化方方向向上上出出现现电电荷荷，与与压压电电陶陶瓷瓷几几何何尺尺寸寸无无关。关。y y-+F Fz zF Fz zx xz z纵向变形纵向变形纵向变形纵向变形当当压压电电陶陶瓷瓷在在沿沿极极化化方方向向受受力力时时，则则在在垂垂直直于于z z轴轴的的上上、下下两两表表面面上上将将会会出出现现电电荷，电荷量荷，电荷量q q与作用力与作用力F Fz z成正比，即成正比，即第23页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应Az极化面面积；极化面面积；Ax、Ay受力面面积；受力面面积；d32、d31压电陶瓷的横向压电系数。压电陶瓷的横向压电系数。y y-+F Fy yF Fy yx xz z横向变形横向变形横向变形横向变形y y-+F Fx xF Fx xx xz z横向变形横向变形横向变形横向变形第24页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 5 5、压电陶瓷的压电效应、压电陶瓷的压电效应y y-+F Fz zF Fz zx xz zF Fy yF Fy yx xy yz zF Fx x+-F Fz zF Fy yF Fy yx xy yz zF Fx xF Fz z+-纵向变形纵向变形纵向变形纵向变形横向变形横向变形横向变形横向变形体积变形体积变形体积变形体积变形因因此此，无无论论在在什什么么方方向向上上施施加加作作用用力力产产生生压压缩缩形形变变时时，压压电电陶陶瓷瓷的的正正、逆逆压压电电效效应应只只出现在其极化方向。出现在其极化方向。第25页，讲稿共60张，创作于星期日6.1 压电效应压电效应 6.2 压电材料压电材料6.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用压电式传感器应用 第六章 压电式传感器第26页，讲稿共60张，创作于星期日（1 1）转转换换性性能能：要要求求具具有有较较大大的压电常数。的压电常数。（2 2）机机械械性性能能：机机械械强强度度高高、刚度大。刚度大。（3 3）电电性性能能：高高电电阻阻率率和和大大介介电常数。电常数。（4 4）环环境境适适应应性性：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的居居里里点点，获得较宽的工作温度范围。获得较宽的工作温度范围。（5 5）时时间间稳稳定定性性：要要求求压压电电性性能不随时间变化。能不随时间变化。一、压电材料应具备主要特性一、压电材料应具备主要特性6.2 压电材料 二、石英晶体二、石英晶体石石英英晶晶体体在在几几百百的的温温度度范范围围内内，介介电电常常数数和和压压电电系系数数几几乎乎不不随随温温度度而而变变化。化。当当温温度度超超过过573573居居里里点点时时，石石英晶体完全丧失压电特性。英晶体完全丧失压电特性。石石英英晶晶体体的的突突出出优优点点：性性能能非非常常稳稳定定，有有很很大大的的机机械械强强度度和和稳稳定定的机械性能。的机械性能。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比压电陶瓷低得多。数比压电陶瓷低得多。因因此此一一般般仅仅用用于于标标准准仪仪器器或或要要求求较高的传感器中。较高的传感器中。第27页，讲稿共60张，创作于星期日石英晶体的两种类型：石英晶体的两种类型：天天然然和和人人工工培培养养。人人工工培培养养的的石石英英晶晶体体的的物物理理和和化化学学性性质质几几乎乎与与天天然然石石英英晶晶体体没没有有区区别别，因因此此目目前前广广泛泛应应用用成成本本较较低低的的人人造造石石英晶体。英晶体。二、石英晶体二、石英晶体6.2 压电材料 天然天然人造人造晶片晶片石英是一种各向异性晶体：石英是一种各向异性晶体：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（如如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在在设设计计石石英英传传感感器器时时，应应根根据据不不同同使用要求正确地选择石英片的使用要求正确地选择石英片的切型切型。第28页，讲稿共60张，创作于星期日压压电电陶陶瓷瓷主主要要有有钛钛酸酸钡钡压压电电陶陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷等。瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷等。（1 1）钛酸钡压电陶瓷）钛酸钡压电陶瓷钛钛酸酸钡钡（BaTiOBaTiO3 3）是是由由碳碳酸酸钡钡（BaCOBaCO3 3）和和二二氧氧化化钛钛（TiOTiO2 2）按按1:11:1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。优优点点：介介电电常常数数和和压压电电系系数数大大（约为石英晶体的（约为石英晶体的5050倍）。倍）。缺缺点点：居居里里点点温温度度低低（120120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。温度稳定性和机械强度不如石英晶体。三、压电陶瓷三、压电陶瓷6.2 压电材料（2 2）锆钛酸铅系压电陶瓷）锆钛酸铅系压电陶瓷锆锆钛钛酸酸铅铅（PZTPZT）是是由由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组组成成的的固固溶溶体体PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。与与钛钛酸酸钡钡相相比比，压压电电系系数数更更大大，居居里里点点温温度度在在300300以以上上，各各项项机机电电参数受温度影响小，时间稳定性好。参数受温度影响小，时间稳定性好。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）还还可可获获得得不不同同性性能能的的PZTPZT材材料。料。锆锆钛钛酸酸铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷是是目目前前压压电电式式传传感感器器中中应应用用最最广广泛泛的的压压电电材料。材料。第29页，讲稿共60张，创作于星期日压压电电半半导导体体材材料料有有ZnOZnO、CdSCdS、CdTeCdTe等等，这这种种力力敏敏器器件件具具有有灵灵敏敏度度高高，响响应时间短等优点。应时间短等优点。用用ZnOZnO作作为为表表面面声声波波振振荡荡器器的的压压电电材材料，可检测力和温度等参数。料，可检测力和温度等参数。四、新型压电材料四、新型压电材料6.2 压电材料 1 1、压电半导体材料、压电半导体材料某某些些合合成成高高分分子子聚聚合合物物薄薄膜膜经经延延展展拉拉伸伸和和电电场场极极化化后后，具具有有一一定定的的压压电电性性能能，这这类类薄薄膜膜称称为为高高分分子子压压电电薄薄膜膜，有有聚聚二二氟氟乙乙烯烯PVFPVF2 2、聚聚氟氟乙乙烯烯PVFPVF、聚氯乙烯聚氯乙烯PVCPVC等。等。2 2、高分子压电材料、高分子压电材料高高分分子子压压电电材材料料是是一一种种柔柔软软的的压压电电材材料料，不不易易破破碎碎，可可大大量量生产和制成较大的面积。生产和制成较大的面积。高分子压电薄膜拉制高分子压电薄膜拉制 第30页，讲稿共60张，创作于星期日四、新型压电材料四、新型压电材料6.2 压电材料 高分子压电材料特点：高分子压电材料特点：柔柔软软；抗抗拉拉强强度度高高；电电阻阻大大、击击穿穿强强度高；稳定性好。度高；稳定性好。高高分分子子化化合合物物参参杂杂压压电电陶陶瓷瓷粉粉末末，两者优点合一。两者优点合一。高分子压电材料应用：高分子压电材料应用：大面积阵列传感器、人工皮肤。大面积阵列传感器、人工皮肤。2 2、高分子压电材料、高分子压电材料高分子压电薄膜高分子压电薄膜制作的压电喇叭制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）高分子压电薄膜高分子压电薄膜压电式脚踏开关压电式脚踏开关高分子压电薄膜高分子压电薄膜和电缆和电缆第31页，讲稿共60张，创作于星期日6.1 压电效应压电效应 6.2 压电材料压电材料6.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用压电式传感器应用 第六章 压电式传感器第32页，讲稿共60张，创作于星期日压压电电式式传传感感器器基基本本原原理理：压压电电材材料料的的压压电电效效应应，即即当当有有力力作作用用在在压压电电材材料料上上时时，传感器就有电荷或电压输出。传感器就有电荷或电压输出。一、压电式传感器的测量特性一、压电式传感器的测量特性6.3 压电式传感器等效电路 压压电电式式传传感感器器不不能能用用于于静静态态测测量量：外外力力作作用用在在压压电电材材料料上上产产生生的的电电荷荷只只有有在在无无泄泄漏漏的的情情况况下下才才能能保保存存，需需要要测测量量回回路路具具有有无无限限大的输入阻抗，这实际上是不可能的。大的输入阻抗，这实际上是不可能的。压压电电式式传传感感器器适适用用于于动动态态测测量量：压压电电材材料料在在交交变变力力的的作作用用下下，电电荷荷可可以以不不断断补充，以供给测量回路一定的电流。补充，以供给测量回路一定的电流。无铅压电陶瓷及换能器无铅压电陶瓷及换能器双面镀银封装石英晶片双面镀银封装石英晶片第33页，讲稿共60张，创作于星期日压压电电式式传传感感器器在在有有些些测测量量中中需需要要预预载载：压压电电式式传传感感器器在在测测量量低低压压力力时时线线性性度度不不好好，这这主主要要是是传传感感器器受受力力系系统统中中力力传传递递系系数数为为非非线线性性所所致致，即即低低压压力力下下力力的的传传递递损损失失较较大大。为为此此，在在力力传传递递系系统统中中加加入入预预加力，称加力，称预载预载。预预载载除除了了消消除除低低压压力力使使用用中中的的非非线线性性外外，还还可可以以消消除除传传感感器器内内外外接接触触表表面面的的间间隙隙，提提高高刚刚度。度。一、压电式传感器的测量特性一、压电式传感器的测量特性6.3 压电式传感器等效电路 拉拉力力和和拉拉、压压交交变变力力及及剪剪力力和和扭扭矩矩，只有在加预载后才能用压电式传感器测量。只有在加预载后才能用压电式传感器测量。各种压电式传感器各种压电式传感器第34页，讲稿共60张，创作于星期日单单片片压压电电元元件件产产生生的的电电荷荷量量甚甚微微，为为了了提提高高压压电电传传感感器器的的输输出出灵灵敏敏度度，在在实实际际应应用用中中常常采采用用两两片片或或两两片片以以上上同同型型号号的的压压电电元元件件粘粘结在一起。结在一起。常见粘结两种方法：并联和串联。常见粘结两种方法：并联和串联。二、压电元件的连接方式二、压电元件的连接方式6.3 压电式传感器等效电路 1 1、压电元件的并联连接、压电元件的并联连接两两片片压压电电晶晶片片的的负负电电荷荷集集中中在在中中间间电电极极上上，正正电电荷荷集集中中在在两两侧侧的的电电极极上上，传传感感器器的的电电容容量量大大、输输出出电电荷荷量量大大、时时间间常常数数也也大大，故故这这种种传传感感器器适适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。用于测量缓变信号及电荷量输出信号。外外力力作作用用下下正正负负电电极极上上的的电电荷荷量量增增加加了了1 1倍倍，电电容容量量也也增增加加了了1 1倍倍，输输出出电电压压与与单单片片时时相同。相同。+第35页，讲稿共60张，创作于星期日二、压电元件的连接方式二、压电元件的连接方式6.3 压电式传感器等效电路 2 2、压电元件的串联连接、压电元件的串联连接正正电电荷荷集集中中于于上上极极板板，负负电电荷荷集集中中于于下下极极板板，传传感感器器本本身身的的电电容容量量小小、响应快、输出电压大。响应快、输出电压大。这这种种传传感感器器适适用用于于测测量量以以电电压压作作输输出的信号和频率较高的信号。出的信号和频率较高的信号。并并联联接接法法适适宜宜用用在在测测量量慢慢变变信信号号并并且且以以电电荷荷作作为为输输出出量量的的场场合。合。串串联联接接法法适适宜宜用用于于以以电电压压作作为为输输出出信信号号，并并且且测测量量电电路路输输入入阻抗很高的场合。阻抗很高的场合。+外外力力作作用用下下正正负负电电极极上上的的电电荷荷量量与与单单片片时时相相同同，输输出出电电压压增增加加了了1 1倍倍，电电容容量量为为单片时的单片时的1/21/2倍。倍。第36页，讲稿共60张，创作于星期日当当压压电电晶晶体体承承受受应应力力作作用用时时，在在其其两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷。荷。压压电电传传感感器器看看成成一一个个电电荷荷源源与与一一个个电容并联的电荷发生器。电容并联的电荷发生器。电容量为电容量为三、压电式传感器的等效电路三、压电式传感器的等效电路6.3 压电式传感器等效电路 1 1、电荷源等效电路、电荷源等效电路q qC Ca a电荷源等效电路电荷源等效电路第37页，讲稿共60张，创作于星期日当当两两极极板板聚聚集集异异性性电电荷荷时时，板板间间就就呈呈现现出出一定的电压。一定的电压。压压电电传传感感器器也也可可看看成成一一个个电电压压与与一一个个电电容容串联的电压源。串联的电压源。电压为电压为三、压电式传感器的等效电路三、压电式传感器的等效电路6.3 压电式传感器等效电路 2 2、电压源等效电路、电压源等效电路电压源等效电路电压源等效电路UaCa第38页，讲稿共60张，创作于星期日实实际际使使用用时时，压压电电传传感感器器通通过过导导线线与与测测量量仪仪器器相相连连接接，连连接接导导线线的的等等效效电电容容CC、前前置置放放大大器器的的输输入入电电阻阻Ri、输输入入电电容容Ci对对电电路路的的影影响响就就必必须须一一起起考考虑虑进进去去。当当考考虑虑了了压压电电元元件件的的绝绝缘缘电电阻阻Ra以以后后，压压电电传传感感器器完完整整的的等等效效电电路路可可表表示成电压等效电路和电荷等效电路。示成电压等效电路和电荷等效电路。三、压电式传感器的等效电路三、压电式传感器的等效电路6.3 压电式传感器等效电路 3 3、实际使用的电荷源和电压源等效电路、实际使用的电荷源和电压源等效电路等等效效电电压压源源等等效效电电荷荷源源这两种等效电路是完全等效的。这两种等效电路是完全等效的。第39页，讲稿共60张，创作于星期日6.1 压电效应压电效应 6.2 压电材料压电材料6.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用压电式传感器应用 第六章 压电式传感器第40页，讲稿共60张，创作于星期日前置放大器的作用：前置放大器的作用：一一是是将将传传感感器器的的高高阻阻抗抗输输出出变变换换为为低低阻阻抗抗输输出出；二二是是放放大大传传感感器器输输出出的微弱电信号。的微弱电信号。压压电电式式传传感感器器本本身身内内阻阻抗抗很很高高，输输出出电电信信号号很很微微弱弱，通通常常先先把把传传感感器器信信号号先先输输入入到到高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器中中，经经过过阻阻抗抗交交换换以以后后，方方可可用用一一般般的的放放大大检检波波电电路路再再将将信信号号输输入入到到指指示仪表或记录器中。示仪表或记录器中。6.4 压电式传感器测量电路 前置放大器的形式：前置放大器的形式：用用电电阻阻反反馈馈的的电电压压放放大大器器，其其输输出出电电压压与与输输入入电电压压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；成正比；用用带带电电容容板板反反馈馈的的电电荷荷放放大大器，其输出电压与输入电荷成正比。器，其输出电压与输入电荷成正比。高高阻阻抗抗输输入入的的前前置置放放大大器器是是测测量量电电路路的关键。的关键。电电荷荷放放大大器器电电路路的的电电缆缆长长度度变变化化影影响响不不大大，几几乎乎可可以以忽忽略略不不计计，故故而而电电荷荷放放大大器器应应用用日益广泛。日益广泛。第41页，讲稿共60张，创作于星期日在在等等效效电电路路中中，电电阻阻R=RR=Re eR Ri i/(R/(Re e+Ri),+Ri),电电容容C=CC=Ce e+C+Ci i，而而u ua a=q/C=q/Ca a，若若压压电电元元件件受受正正弦弦作作用用力力为为 一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 1 1、电压放大器电路原理、电压放大器电路原理压电元件电压为压电元件电压为输入等效电路输入等效电路电压放电器原理电路电压放电器原理电路Um=dFm/Ca压压电电元元件件输输出出电电压压幅值，幅值，d压电系数。压电系数。第42页，讲稿共60张，创作于星期日放大器输入端电压复数形式为放大器输入端电压复数形式为 一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 1 1、电压放大器电路原理、电压放大器电路原理在在理理想想情情况况下下，传传感感器器的的Ra电电阻阻值值与与前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻Ri都都为为无无限限大大，即即(Ca+Cc+Ci)R1。根根 据据Uim()的的表表达达式式，在在理理想想情情况况下输入电压幅值为下输入电压幅值为 输入等效电路输入等效电路放大器输入端电压幅值为放大器输入端电压幅值为 输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 第43页，讲稿共60张，创作于星期日一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 1 1、电压放大器电路原理、电压放大器电路原理输入等效电路输入等效电路（1）压电传感器不能测量静态物理量。）压电传感器不能测量静态物理量。（2）当当1时时（工工程程中中认认为为3可可满满足足要要求求），输输入入电电压压与与信信号号频频率无关。率无关。优点：优点：时间常数一定时，高频响应特性好。时间常数一定时，高频响应特性好。缺缺点点：低低频频响响应应差差。提提高高低低频频响响应应的的办办法法是是增增大大时时间间常常数数，即即增增大大电电容或提高输入电阻。容或提高输入电阻。前置放大器输入回路的时间常数为前置放大器输入回路的时间常数为 第44页，讲稿共60张，创作于星期日一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 2 2、传感器电压灵敏度、传感器电压灵敏度前置电路要有高输入阻抗：前置电路要有高输入阻抗：因因为为传传感感器器电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比比，所所以以提提高高低低频频响响应应的的办办法法只只能能是是增增大大前前置置输输入入回回路电阻，这样导致电压放大器响应差。路电阻，这样导致电压放大器响应差。压电式传感器的电压灵敏度为压电式传感器的电压灵敏度为 因因此此，要要求求电电压压放放电电器器前置电路具有高输入阻抗。前置电路具有高输入阻抗。前前置置电电压压放放电电器器采采用用高高输输入入阻阻抗抗的的运运算算放放大大器器，具有阻抗变换的作用。具有阻抗变换的作用。第45页，讲稿共60张，创作于星期日一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 从从传传感感器器的的输输出出电电压压和和电电压压灵灵敏敏度度可可见见，连连接接电电缆缆的的分分布布电电容容C Ce e影影响响传传感感器器输输出出电电压压和和灵灵敏敏度度，使使用用时时更更换换电电缆缆就就要要求求重重新新标标定定，测测量量系系统统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。因因此此，压压电电传传感感器器与与前前置置放放大大器器之之间间连连接接电电缆缆不不能能随随意更换，否则将引入测量误差。意更换，否则将引入测量误差。解解决决电电缆缆分分布布电电容容的的影影响响和和低低频频响响应应差差的的缺缺点点可采用电荷放大。可采用电荷放大。2 2、传感器电压灵敏度、传感器电压灵敏度第46页，讲稿共60张，创作于星期日运运算算放放大大器器输输入入阻阻抗抗极极高高，放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，故故可可等等效效成成略去略去Ra和和Ri并联电阻的电路。并联电阻的电路。二、电荷放大器二、电荷放大器6.4 压电式传感器测量电路 电电荷荷放放大大器器是是一一种种输输出出电电压压与与输输入入电电荷荷量量成成正正比比的的前前置置放放大大器器。利利用用电电容容作作反反馈馈元元件件的的深深度度负负反反馈馈的的高高增增益运放。益运放。通通 常常A=104108，当当 满满 足足(1+A)CrCa+Cc+Ci时，则有时，则有 1 1、电荷放电器输出电压、电荷放电器输出电压电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路反反馈馈电电容容Cr折折合合到到放放大大器器输输入入端端的的有有效效电电容容为为(1+A)Cr。电电荷荷放放大大器器的输出电压为的输出电压为第47页，讲稿共60张，创作于星期日二、电荷放大器二、电荷放大器6.4 压电式传感器测量电路 电荷放大器输出电压电荷放大器输出电压2 2、电荷放电器的特点、电荷放电器的特点（1 1）电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压只只取取决决于于输输入入电电荷荷与与反反馈馈电电容容，与与电电缆缆电电容无关，且与电荷成正比。容无关，且与电荷成正比。（2 2）采采用用电电荷荷放放大大器器时时，即即使使连连接接电电缆缆长长度度在在百百米米以以上上，灵灵敏敏度度也也无无明明显显变变化化，这这是是电电荷荷放放大大器器的的最最大大特特点。点。（4）为为了了得得到到必必要要的的测测量量精精度度，要要求求反反馈馈电电容容Cr的的温温度度和和时时间间稳稳定定性性都都很很好好。在在实实际际电电路路中中，考考虑虑到到不不同同的的量量程程等等因因素素，Cr的的容容量量做做成成可可选选择择的的，范范围围一一般般为为102104pF。（3）电路复杂，价格昂贵。）电路复杂，价格昂贵。第48页，讲稿共60张，创作于星期日6.1 压电效应压电效应 6.2 压电材料压电材料6.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用压电式传感器应用 第六章 压电式传感器第49页，讲稿共60张，创作于星期日6.5 压电式传感器应用 压压电电式式传传感感器器主主要要测测量量动动态态力力、机机械械冲冲击击和和振振动动，在在声声学学、医医学学、力力学、导航方面应用广泛。学、导航方面应用广泛。1 1、压电式力传感器压电式力传感器压压电电式式单单向向测测力力传传感感器器的的结结构构，主主要要由由石石英英晶晶片片、绝绝缘缘套套、电电极极、上上盖盖及及基基座等组成。座等组成。传传感感器器上上盖盖为为传传力力元元件件，外外缘缘壁壁厚厚为为0.10.5mm，当当外外力力作作用用时时，产产生生弹弹性性变变形形，将将