第5章压电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、第5章压电式传感器第1页，共48页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 压电效应和压电材料压电效应和压电材料一、一、压电效应压电效应 当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面时、会产生变形，此时这种材料的两个表面特产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它特产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为又重新回到不带电状态，这种现象被称为压压电效应电效应.反之在某些物质的极化方向上施加反之在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电扬电场，它会产生机械变形，当去掉外加电扬后，该物质的变

2、形随之消失把这种电能转后，该物质的变形随之消失把这种电能转变为机械能的现象，称为变为机械能的现象，称为“逆压电效应逆压电效应”。第2页，共48页，编辑于2022年，星期一由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它的加上它的体积小体积小、重量轻重量轻、结构简单结构简单、工作可靠工作可靠、固有固有频率高频率高、灵敏度和信嗓比高灵敏度和信嗓比高等优点，因此等优点，因此30多年来压电多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。式传感器的应用获得飞跃的发展。利用正压电效应利用正压电效应研制成研制成压电电源压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置煤气炉

3、和汽车发动机的自动点火装置等等多种电压发生器，在测试技术个，压电转换元件是一种典型多种电压发生器，在测试技术个，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的那些物理量，例如压的力敏元件，能测量最终可变换为力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器压电式传感器的应用。的应用。正、逆压电效应的应用正、逆压电效应的应用第3页，共48页，编辑于2022年，星期一利用逆压电效应可制成多种利用逆压电效应可制成多种超声波发生器超声波发生器和和压电扬压

4、电扬声器声器,如电子手表就要压电谐振器。利用正、逆压电效应如电子手表就要压电谐振器。利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。纳和压电声表面波器件等。更有意义的是：根据研究生物压电学的结果认识到生物更有意义的是：根据研究生物压电学的结果认识到生物都具有压电性，人的各种感觉器官实际上是生物压电传感都具有压电性，人的各种感觉器官实际上是生物压电传感器。如根据正压电效应治疗骨折，可加速疮愈，用逆压电器。如根据正压电效应治疗骨折，可加速疮愈，用逆压电效应，对骨头通电具有矫正畸形骨等功能。效应，对骨头通电具有

5、矫正畸形骨等功能。第4页，共48页，编辑于2022年，星期一二、压电材料简介二、压电材料简介压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体压电晶体和和压电陶瓷压电陶瓷.具具有较好特性：具有较大的压电常数机械性能优良有较好特性：具有较大的压电常数机械性能优良(强度高，固有振荡频率稳定强度高，固有振荡频率稳定)，时间稳定性好，温度，时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。1压电晶体压电晶体常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成分为二氧化硅。其化学成分为二氧化硅。2压

6、电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电。第5页，共48页，编辑于2022年，星期一第6页，共48页，编辑于2022年，星期一1.石英晶体石英晶体结晶形状是六角晶柱，它是结晶形状是六角晶柱，它是结晶形状是六角晶柱，它是结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，我们用直角坐标一个正六面体，我们用直角坐标一个正六面体，我们用直角坐标一个正六面体，我们用直角坐标三个轴来表示：三个轴来表示：三个轴来表示：三个轴来表示：纵轴线纵轴线纵轴线纵轴线z 光轴光轴穿穿过过棱棱线线且且 z轴轴

7、轴轴的的的的x轴轴轴轴 电电轴轴 棱面的棱面的棱面的棱面的y y轴轴 力轴（机械力轴（机械轴）轴）第7页，共48页，编辑于2022年，星期一现象现象：1)沿电轴沿电轴x 方向施力，在方向施力，在 x轴表面产生电荷轴表面产生电荷 纵向压电效应纵向压电效应 沿力轴沿力轴y 方向施力，也在方向施力，也在 x轴表面产生电荷轴表面产生电荷 横向压电效应横向压电效应沿光轴沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷；方向施力，表面不产生电荷；2)若改变受力方向，表面极性也相应改变；若改变受力方向，表面极性也相应改变；3)分别使分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。方向都受压或受拉，极性也相反。第8页，共48页，

8、编辑于2022年，星期一2、压电陶瓷的压电现象、压电陶瓷的压电现象压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶体有许多自发极化体并不相同。压电陶瓷材料内的晶体有许多自发极化的电畴。在极化处理以前各晶粒内电畴任意方向排的电畴。在极化处理以前各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图所示。如图所示。第9页，共48页，编辑于2022年，星期一压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方

9、向转到与外加电场方向一致，如图电场方向一致，如图(b)所示。既然已极化，此时压电陶瓷所示。既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零如图立即恢复到零如图54(c)所示，此时存在剩余极化强度。所示，此时存在剩余极化强度。第10页，共48页，编辑于2022年，星期一同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图端为负，如图55所示。由于柬缚电荷的

10、作用、在陶瓷片所示。由于柬缚电荷的作用、在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。呈现极性。图图5-5束缚电荷和自由电荷排列的示意图束缚电荷和自由电荷排列的示意图第11页，共48页，编辑于2022年，星期一如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形片内的束缚电荷之间距离变小，电畴瓷片产生压缩变形片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转、极化强度变小发生

11、偏转、极化强度变小,因此，吸附其表面的自由电荷，因此，吸附其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象有一部分被释放而呈现放电现象.这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能就是变为电能就是压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即与外力成正比例关系。即-压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；-作用力。作用力。第12页，共48页，编辑于2022年，星期一生物传感器技术应用领域及未来发展特点生物传感器技术应用领域及未来发展特点生物传感器技术应用领域及未来发展特点生物传感器技术

12、应用领域及未来发展特点(一一一一)Sensor 有人把有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。信息科学之间发展起来的一门交叉学科。生物传感器研究的全面展开是在生物传感器研究的全面展开是在20世纪世纪80年代年代,20多年多年来发展迅速来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。等方面得到了高度重视和广泛应用。生物传感器正进生物传感器正进入全面深入研究开

13、发时期，各种微型化、集成化、智入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。第13页，共48页，编辑于2022年，星期一1.食品工业食品工业生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分。加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分。食品成分分析：食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分

14、析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。葡萄糖等。食品添加剂的分析：食品添加剂的分析：亚硫酸盐通常用作食品工业的漂亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。第14页，共48页，编辑于2022年，星期一2.环境监测环境监测 近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥近年来，环

15、境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线有一种能对污染物进行连续、快速、在线监测的仪器，监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。传感器应用于环境监测中。大气环境监测：二氧化硫大气环境监测：二氧化硫(SO2)是酸雨酸雾形成的主要是酸雨酸雾形成的主要原因原因,传统的检测方法很复杂。传统的检测方法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上类固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测。

16、器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测。第15页，共48页，编辑于2022年，星期一3.发酵工业发酵工业在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。微生物传微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。另外，还感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。另外，还用于微生物细胞数目

17、的测定。用于微生物细胞数目的测定。4.医学领域医学领域 生物传感技术因为其专一、灵敏、响应快等特点，生物传感技术因为其专一、灵敏、响应快等特点，在灵床医学、军事医学方面，也具有广阔的应用前景。在灵床医学、军事医学方面，也具有广阔的应用前景。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。第16页，共48页，编辑于2

18、022年，星期一第二节第二节压电传感器的连接方式压电传感器的连接方式一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式:由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存因此需要测量电路具有在无泄漏的情况下才会长期保存因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器感器不宜作静态测量不宜作静态测量只能在其上加交变力电荷才能不断只能在其上加交变力电荷才能不断得到补充可以供给测量电路一定的电流故压电传感器得到补充可以供给测量电路一定的电流故压电传感器只只宜作动

19、态测量宜作动态测量。制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有荷极性，因此接法有并联并联和和串联串联两种如图两种如图56所示所示:第17页，共48页，编辑于2022年，星期一并联连接并联连接式压电传感器的输出电容式压电传感器的输出电容和极板上的电荷和极板上的电荷分别为单块晶体片的分别为单块晶体片的2倍，而输出电压倍，而输出电压与单片上的电压与单片上的电压相等。即相等。即:串联时串联时,输出总电荷输出总电荷等于单片上的电荷，输出电压为等于

20、单片上的电荷，输出电压为单片电压的单片电压的2倍，总电容应为单片的倍，总电容应为单片的1/2。即。即第18页，共48页，编辑于2022年，星期一由此可见，由此可见，并联接法并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。作为输出的情况。串联接法串联接法输出电压高，本身电容小，适输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。在制作和使用压电传感器时，在制作和使用压电传感器时，要使压电

21、晶片有一定要使压电晶片有一定的预应力的预应力。这是因为压电晶片在加工时即使磨得很光滑，。这是因为压电晶片在加工时即使磨得很光滑，也难保证接触面的绝对平滑、如果没有足够的压力，就也难保证接触面的绝对平滑、如果没有足够的压力，就不能保证全面的均匀接触，因此事先要给晶片一定的不能保证全面的均匀接触，因此事先要给晶片一定的预应力，预应力，但预预应力不能太大，否则将影响压电传感器的但预预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度。灵敏度。实验表明，压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加实验表明，压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加而减小。因此为了保证传感器的测量精度，最好每隔半年而减小。因此为了保证传感器

22、的测量精度，最好每隔半年进行一次灵敏度校正。进行一次灵敏度校正。第19页，共48页，编辑于2022年，星期一叠层式压电晶片结构形式叠层式压电晶片结构形式第20页，共48页，编辑于2022年，星期一第三节、第三节、压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路 压电式传感器实质上是一个电容器压电式传感器实质上是一个电容器:当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板两极板间的物质等效于一介质，电容的两个极板两极板间的物质等效于一介质，因此压电片相当于一只平行板介质电

23、容器参见图因此压电片相当于一只平行板介质电容器参见图57。其电容量为。其电容量为:r 晶片相对介电常数晶片相对介电常数 0 真空介电常数真空介电常数S 工作面面积工作面面积 晶片厚度晶片厚度第21页，共48页，编辑于2022年，星期一和普通电容器不同和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。所以，可以把压电传感器等效为一个电压源所以，可以把压电传感器等效为一个电压源和一和一只电容只电容c串联的电路，如图串联的电路，如图58(a)所示。由图可知，只有所示。由图可知，只有在外电路负

24、载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数以时间常数RC按指数规律放电。按指数规律放电。第22页，共48页，编辑于2022年，星期一压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器如图联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器如图58(b)所示。所示。5-8(a)电压源电压源5-8(b)电荷源电荷源图图5-8压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第23页

25、，共48页，编辑于2022年，星期一压电传感器在实际使用时、总是要与测量仪器或测量电压电传感器在实际使用时、总是要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容放大器的放大器的输入电阻输入电阻。和输入电容。和输入电容,这样压电式传感器在测量系统这样压电式传感器在测量系统中等效电路就应如图中等效电路就应如图59所示。图中，所示。图中，C为传感器的电容为传感器的电容,为传感器的漏电阻。为传感器的漏电阻。图图5-9(b)电荷源电荷源图图5-9(a)电压源电压源第24页，共48页，编辑于2022年，星期一第四节第四节压电式传感器的测量电路压电式传

26、感器的测量电路为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻求负载电阻R要大到一定数值才能使晶体片上的漏电流相要大到一定数值才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。换成低阻抗输出。根据前面的等效电路，它的输出可以是电压，也可根据前面的等效电路，

27、它的输出可以是电压，也可以是电荷因此前置放大器也有两种形式：以是电荷因此前置放大器也有两种形式：电电压放大器和电荷放大器。压放大器和电荷放大器。第25页，共48页，编辑于2022年，星期一1电压放大器电压放大器(阻抗变换器阻抗变换器)电压型电压型等效电路等效电路根据上图，设根据上图，设R为传感器的漏电阻为传感器的漏电阻和放大器的输入电和放大器的输入电阻阻的并联等效电阻、的并联等效电阻、C为为和和并联等效电容则并联等效电容则第26页，共48页，编辑于2022年，星期一压电传感器的开路电压是压电传感器的开路电压是，若压电元件沿电，若压电元件沿电轴方向施加交变力轴方向施加交变力，则产生的，则产生的电

28、荷和电压均按正弦规律变化、其电压为电荷和电压均按正弦规律变化、其电压为:电压的幅值等于电压的幅值等于，送到放大器输入端的电压为，送到放大器输入端的电压为第27页，共48页，编辑于2022年，星期一因此因此,前置放大器的输入电压的幅值为前置放大器的输入电压的幅值为:输入电压和作用力之间的相位差为输入电压和作用力之间的相位差为:在理想情况下传感器的绝缘电阻在理想情况下传感器的绝缘电阻和前置放大器的输入电和前置放大器的输入电阻阻都为无限大，即都为无限大，即也无电荷泄漏。在理想情况下，前置放大器的输入电压的也无电荷泄漏。在理想情况下，前置放大器的输入电压的幅值为幅值为:第28页，共48页，编辑于202

29、2年，星期一它与实际输入电压之幅值它与实际输入电压之幅值比为比为:其中其中:为测量回路的时间常数。从而相角的表示为为测量回路的时间常数。从而相角的表示为:第29页，共48页，编辑于2022年，星期一由上式得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线，如由上式得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线，如图图510所示。当作用于压电元件上的力为静态力所示。当作用于压电元件上的力为静态力时，时，则前置放大器的输入电压等于则前置放大器的输入电压等于0。因为电荷会通过放大器输入。因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态测

30、量。静态测量。第30页，共48页，编辑于2022年，星期一当当31，即，即31时，前置放大器输入电时，前置放大器输入电压压随频率增加而渐渐减缓随频率增加而渐渐减缓.3时时,可近似认为输入电压与作用力的频率可近似认为输入电压与作用力的频率无无关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用于高关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用于高频交变力的测量，而且相当理想。频交变力的测量，而且相当理想。一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器,一一般在集成运放出现以前多采用般在集成运放出现以前多采用MOS场效应管和分离元场效应管和分离元件来实现件来实现,但由于

31、调试周期长但由于调试周期长,抗干扰能力较弱抗干扰能力较弱,所以目所以目前多采用集成运放来作为前级的放大前多采用集成运放来作为前级的放大.一般采用一般采用高输高输入阻抗运放入阻抗运放.第31页，共48页，编辑于2022年，星期一集成运算比例放大器集成运算比例放大器（1）比例放大器比例放大器:第32页，共48页，编辑于2022年，星期一（2 2）结型场效应管）结型场效应管(JFET)(JFET)输入级的集成运放输入级的集成运放:国产芯片为国产芯片为CF355,CF356 CF355,CF356 和和 CF357 CF357：1.1.约约10101212的输入电阻；的输入电阻；2.2.比较高的速度：

32、比较高的速度：CF355:CF355:转换速率转换速率SR=5V/SR=5V/s s LF356:SR=12V/LF356:SR=12V/s s LF357:SR=50V/s LF357:SR=50V/s。n运放要求运放要求双电源供电双电源供电,供电电压的供电电压的极限值为极限值为18V18V。n运放的外引脚排列和应用电路的基本形式相同运放的外引脚排列和应用电路的基本形式相同,如图所示。如图所示。第33页，共48页，编辑于2022年，星期一运放运放输入电阻大输入电阻大,速度高速度高,供电必须添加去耦电路供电必须添加去耦电路；运放的使用运放的使用温度范围为温度范围为070070；当当闭环增益大于

33、闭环增益大于5 5时不要使用时不要使用CF357CF357,否则否则会引起自激；会引起自激；与这三种运放与这三种运放相同的国外型号相同的国外型号有有LF355/LF356/LF357,LF355/LF356/LF357,封装封装,外引线排列及应用线路完全相同；外引线排列及应用线路完全相同；第34页，共48页，编辑于2022年，星期一生物传感器技术应用领域及未来发展特点生物传感器技术应用领域及未来发展特点生物传感器技术应用领域及未来发展特点生物传感器技术应用领域及未来发展特点(一一一一)Sensor近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物

34、传感器技术飞速发展。可以预见，未展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。来的生物传感器将具有以下特点。1、功能多样化：、功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前各个领域。目前,生物传感器研究中的重要内容之一就生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器感器,即仿生传感器。即仿生传感器。第35页，共48页，编辑于2022年，星期一

35、2微型化：微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。可能。3、智能化与集成化：、智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的形成检测的自动化系统。同

36、时自动化系统。同时,芯片技术将越来越多地进入传感器芯片技术将越来越多地进入传感器领域领域,实现检测系统的集成化、一体化。实现检测系统的集成化、一体化。4、低成本、低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命高灵敏度、高稳定性和高寿命:生物传感器技术的不生物传感器技术的不断进步断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。市场化、商品化的进程。第36页，共48页，编辑于2022年，星期一2电荷放大器：电荷放大器：电荷放大器是一个有反馈电容电荷放大器

37、是一个有反馈电容的高增益运算大器。的高增益运算大器。当略去当略去和和并联等效电阻并联等效电阻R后，压电传感器常使用的电后，压电传感器常使用的电荷放大器可用图荷放大器可用图12所示的等效电路表示。图中所示的等效电路表示。图中A为运算为运算放人器增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗因此放人器增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷放大器的输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容只对反馈电容充电充电充电电压接近放大器的输出电压。充电电压接近放大器的输出电压。图图12第37页，共48页，编辑于2022年，星期一则有：则有：由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电

38、压：由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：却当却当A1和且满足和且满足时，就可认为时，就可认为可见电荷放大器的输出电压可见电荷放大器的输出电压和电缆电容和电缆电容无关而且与无关而且与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。第38页，共48页，编辑于2022年，星期一由于电压放大器的输出电压随传感器输出电缆的电容由于电压放大器的输出电压随传感器输出电缆的电容而变化，所以在实际测量中，主要使用电荷放大器。而变化，所以在实际测量中，主要使用电荷放大器。图图513给出一个实用的电荷放大器电路。给出一个实用的电荷放大器电路。要注意的是，这两种放大器电路的输入端都

39、应加过载要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过载保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输出电保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输出电压。压。图图13第39页，共48页，编辑于2022年，星期一第五节第五节压电式传感器的应用压电式传感器的应用广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛地应用种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛地应用在工业、军事和民用等领域。表在工业、军事和民用等领域。表52给出了其主要应用类给出了其主要应用类型。在这些应用类型中力敏类型应用最多。可直接利用压型。

40、在这些应用类型中力敏类型应用最多。可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移等物理量。电传感器测量力、压力、加速度、位移等物理量。第40页，共48页，编辑于2022年，星期一一、压电式测力传感器一、压电式测力传感器下图是压电式单向测力传感器的结构图，它主要由石英晶片、下图是压电式单向测力传感器的结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。绝缘套、电极、上盖及基座等组成。第41页，共48页，编辑于2022年，星期一传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1-0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片当外力作用时，它将产生弹

41、性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，实现力、切型，利用其纵向压电效应，实现力、电转换。石英晶片的尺寸为电转换。石英晶片的尺寸为8X1mm。该传感器的测力范。该传感器的测力范围为围为0-50N，最小力辨率为，最小力辨率为0.01N，固有频率为，固有频率为50一一60kHz，整个传感器重，整个传感器重10g。二、压电式加速度传感器二、压电式加速度传感器下图一种压电式加速度传感器的结构图。它主要下图一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内

42、，并用螺栓中加以固定。整个部件装在外壳内，并用螺栓中加以固定。第42页，共48页，编辑于2022年，星期一当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即加速度的函数，即，而此时惯性力而此时惯性力F作用于压电元作用于压电元件上，因而产生电荷件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，则传感为常数，则传感器输出电荷为器输出电荷为因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大因此，测得加速度传感器输出的电荷便可

43、知加速度的大小小.第43页，共48页，编辑于2022年，星期一三、压电式玻璃破碎报警器三、压电式玻璃破碎报警器压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。报警器的电路框图所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃报警器的电路框图所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上

44、，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信导高于就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信导高于设定的阂值歼，才会输出报警信号，驱动报警执行机构设定的阂值歼，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。工作。第44页，共4

45、8页，编辑于2022年，星期一玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台等场合。及其它商品柜台等场合。第45页，共48页，编辑于2022年，星期一1-引线插件引线插件2-绝缘体绝缘体3-壳体壳体4-压电元件压电元件5-膜片膜片四、压力传感器四、压力传感器第46页，共48页，编辑于2022年，星期一五、压电式金属加工切削力测量：五、压电式金属加工切削力测量：第47页，共48页，编辑于2022年，星期一总结总结原始输入量 变换原理 物理现象 能量关系 输出量 力 压电效应 物性型 转换型 电荷 第48页，共48页，编辑于2022年，星期一