传感器第五章压电式传感器优秀PPT.ppt

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1、传感器第五章压电传感器第五章压电式传感器式传感器第1页，本讲稿共48页某些电介质当沿一定方向对其施加作用力时，内部产生某些电介质当沿一定方向对其施加作用力时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电状态，这种现象称为荷，当外力去掉后又恢复不带电状态，这种现象称为压电效应压电效应。相反，在电介质极化方向加上电场，这些电介质会产生形变，相反，在电介质极化方向加上电场，这些电介质会产生形变，相反，在电介质极化方向加上电场，这些电介质会产生形变，相反，在电介质极化方向加上电场，这些电介质会产生形变，这种现象称为这种

2、现象称为这种现象称为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）。（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。一、石英晶体压电效应一、石英晶体压电效应一、石英晶体压电效应一、石英晶体压电效应石英晶体的理想外形如下图。它的中部是正六棱柱，它的晶石英晶体的理想外形如下图。它的中部是正六棱柱，它的晶石英晶体的理想外形如下图。它的中部是正六棱柱，它的晶石英晶体的理想外形如下图。它的中部是正六棱柱，它的晶轴用三个互相垂直的轴表示，如图。称轴用三个互相垂直的轴表示，如图。称轴用三个互相垂直的轴表示，如图。称轴用三个互相垂直的轴表示，如图。称Z-ZZ-Z轴为光轴，轴为光轴，轴为光轴，轴为光轴，

3、X-X-X X轴为电轴，轴为电轴，Y-YY-Y轴为机械轴。轴为机械轴。轴为机械轴。轴为机械轴。5.1 5.1 压电效应压电效应第2页，本讲稿共48页光轴光轴光轴光轴电轴电轴电轴电轴机械轴机械轴机械轴机械轴第3页，本讲稿共48页通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷称为通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷称为通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷称为通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷称为纵向压电效应纵向压电效应纵向压电效应纵向压电效应，把沿机械轴方向的力作用下产生的电荷称为把沿机械轴方向的力作用下产生的电荷称为把沿机械轴方向的力作用下产生的电荷称为把沿机械轴方向的力作用下产生的电荷称为横向压电效横向压电效

4、横向压电效横向压电效应应应应。压电效应的产生来源于晶体的结构。组成石英晶体的硅离压电效应的产生来源于晶体的结构。组成石英晶体的硅离压电效应的产生来源于晶体的结构。组成石英晶体的硅离压电效应的产生来源于晶体的结构。组成石英晶体的硅离子子子子 和氧离子和氧离子和氧离子和氧离子 在在在在Z Z平面投影如下图。平面投影如下图。平面投影如下图。平面投影如下图。第4页，本讲稿共48页当作用力当作用力当作用力当作用力 为零时，正负离子为零时，正负离子为零时，正负离子为零时，正负离子 和和和和 分布在正六分布在正六分布在正六分布在正六边形的顶角上，形成三个互成边形的顶角上，形成三个互成边形的顶角上，形成三个互

5、成边形的顶角上，形成三个互成120120角的偶极矩角的偶极矩角的偶极矩角的偶极矩 ，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量合为零，即，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量合为零，即，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量合为零，即，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量合为零，即此时晶体各个方向都不出现此时晶体各个方向都不出现此时晶体各个方向都不出现此时晶体各个方向都不出现电荷。电荷。电荷。电荷。第5页，本讲稿共48页当作用力当作用力 时，晶体受时，晶体受X方向的压力，沿方向的压力，沿X X方向收方向收方向收方向收缩，正负离子相对位置改变，此时正负电荷中心不再重缩，正负离子相对位置改变，此时正负电荷

6、中心不再重缩，正负离子相对位置改变，此时正负电荷中心不再重缩，正负离子相对位置改变，此时正负电荷中心不再重合，电偶极矩的矢量合在合，电偶极矩的矢量合在合，电偶极矩的矢量合在合，电偶极矩的矢量合在X X方向的分量为方向的分量为方向的分量为方向的分量为在在在在Y Y、Z Z方向分量为方向分量为由上可看出，在由上可看出，在由上可看出，在由上可看出，在X轴的正向轴的正向轴的正向轴的正向出现正电荷，出现正电荷，出现正电荷，出现正电荷，Y Y、Z Z轴方向轴方向轴方向轴方向不出现电荷不出现电荷不出现电荷不出现电荷第6页，本讲稿共48页同理，当作用力同理，当作用力 时，晶体受时，晶体受X X方向的拉力，沿方

7、向的拉力，沿方向的拉力，沿方向的拉力，沿X X方向拉伸，电偶极矩的矢量合在方向拉伸，电偶极矩的矢量合在X X方向的分量为方向的分量为在在在在Y Y、Z Z方向分量为方向分量为由上可看出，在由上可看出，在由上可看出，在由上可看出，在X X轴的负轴的负向出现正电荷，向出现正电荷，向出现正电荷，向出现正电荷，Y Y、Z Z轴轴轴轴方向不出现电荷。方向不出现电荷。方向不出现电荷。方向不出现电荷。第7页，本讲稿共48页晶体在晶体在Y轴方向受力与轴方向受力与轴方向受力与轴方向受力与X X轴方向相似，轴方向相似，轴方向相似，轴方向相似，Y轴方向轴方向轴方向轴方向拉力拉力拉力拉力与与X X轴轴方向方向压力压力

8、压力压力效果一样，效果一样，效果一样，效果一样，Y Y轴方向的轴方向的轴方向的轴方向的压力压力压力压力与与与与X X轴方向的轴方向的轴方向的轴方向的拉力拉力拉力拉力效效果一样。果一样。晶体在晶体在晶体在晶体在Z轴方向受力，晶体沿轴方向受力，晶体沿X X轴方向和轴方向和轴方向和轴方向和Y Y轴方向的正应变轴方向的正应变轴方向的正应变轴方向的正应变完全相同，正负电荷中心保持重合，点偶极矩矢量和为完全相同，正负电荷中心保持重合，点偶极矩矢量和为完全相同，正负电荷中心保持重合，点偶极矩矢量和为完全相同，正负电荷中心保持重合，点偶极矩矢量和为零。因此在零。因此在零。因此在零。因此在Z Z轴力的作用下轴力

9、的作用下轴力的作用下轴力的作用下不产生压电效应不产生压电效应。石英晶体通常采用下图方式切片。当晶体片受到沿石英晶体通常采用下图方式切片。当晶体片受到沿X X轴轴轴轴的压缩应力的压缩应力的压缩应力的压缩应力 作用时，极化强度为作用时，极化强度为作用时，极化强度为作用时，极化强度为第8页，本讲稿共48页极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度，即极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度，即于是有于是有于是有于是有其极板间电压其极板间电压其极板间电压其极板间电压根据逆压电效应，晶体在根据逆压电效应，晶体在X X轴方向将产生伸缩，即轴方向将产生伸缩，即轴方向将产生伸缩，即轴方向将产生伸缩，即第9页，本讲稿共4

10、8页第10页，本讲稿共48页相应的应变为相应的应变为相应的应变为相应的应变为如果，作用力方向沿如果，作用力方向沿如果，作用力方向沿如果，作用力方向沿Y Y轴，其电荷仍在于轴，其电荷仍在于轴，其电荷仍在于轴，其电荷仍在于X轴垂直的平面上轴垂直的平面上轴垂直的平面上轴垂直的平面上出现。此时电荷大小为出现。此时电荷大小为出现。此时电荷大小为出现。此时电荷大小为根据石英晶体轴的对称条件根据石英晶体轴的对称条件根据石英晶体轴的对称条件根据石英晶体轴的对称条件 ，有，有，有，有第11页，本讲稿共48页同样，其极板间电压同样，其极板间电压同样，其极板间电压同样，其极板间电压根据逆压电效应，根据逆压电效应，根

11、据逆压电效应，根据逆压电效应，Y轴方向的伸缩变形，为轴方向的伸缩变形，为轴方向的伸缩变形，为轴方向的伸缩变形，为由上述知：由上述知：由上述知：由上述知：压电效应作用力与电荷之间成线性关系；压电效应作用力与电荷之间成线性关系；压电效应作用力与电荷之间成线性关系；压电效应作用力与电荷之间成线性关系；有压电效应的方向，同时也存在逆压电效应；有压电效应的方向，同时也存在逆压电效应；有压电效应的方向，同时也存在逆压电效应；有压电效应的方向，同时也存在逆压电效应；压电效应不是每个方向上都会出现。压电效应不是每个方向上都会出现。压电效应不是每个方向上都会出现。压电效应不是每个方向上都会出现。第12页，本讲稿

12、共48页二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷具有压电陶瓷具有电畴结构电畴结构电畴结构电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，具。电畴是分子自发形成的区域，具。电畴是分子自发形成的区域，具。电畴是分子自发形成的区域，具有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用下，各个电畴在陶瓷材料内杂乱分布，极化效应被作用下，各个电畴在陶瓷材料内杂乱分布，极化效应被作用下，各个电畴在陶瓷材料内杂乱分布，极

13、化效应被作用下，各个电畴在陶瓷材料内杂乱分布，极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。将压电陶瓷放入电场中，电畴的极化方向发生转动，趋将压电陶瓷放入电场中，电畴的极化方向发生转动，趋向于外电场方向，使材料内部极化强度不为零。当外向于外电场方向，使材料内部极化强度不为零。当外电场消除后，陶瓷内部仍有很强的电场消除后，陶瓷内部仍有很强的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。剩余。剩余。剩余极化强度极化强度极化强度极化强度产生束缚电荷产生

14、束缚电荷。平常情况下束缚电荷吸附。平常情况下束缚电荷吸附。平常情况下束缚电荷吸附。平常情况下束缚电荷吸附自由自由自由自由电荷电荷电荷电荷，使陶瓷片表现为，使陶瓷片表现为电中性电中性电中性电中性。第13页，本讲稿共48页第14页，本讲稿共48页第15页，本讲稿共48页如果沿极化方向对陶瓷片施加压力，则陶瓷片产生形变，如果沿极化方向对陶瓷片施加压力，则陶瓷片产生形变，内部正负电荷间距离变小，内部正负电荷间距离变小，极化强度变小极化强度变小极化强度变小极化强度变小，导致束缚，导致束缚，导致束缚，导致束缚电荷减小。原来吸附的自由电荷出现相对过剩，因此陶电荷减小。原来吸附的自由电荷出现相对过剩，因此陶电

15、荷减小。原来吸附的自由电荷出现相对过剩，因此陶电荷减小。原来吸附的自由电荷出现相对过剩，因此陶瓷片表现出带电。瓷片表现出带电。瓷片表现出带电。瓷片表现出带电。第16页，本讲稿共48页同样，在陶瓷片上加一与极化方向相同的电场，由于电场的同样，在陶瓷片上加一与极化方向相同的电场，由于电场的同样，在陶瓷片上加一与极化方向相同的电场，由于电场的同样，在陶瓷片上加一与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化方向相同，电场使极化强度增大。这时陶瓷方向与极化方向相同，电场使极化强度增大。这时陶瓷方向与极化方向相同，电场使极化强度增大。这时陶瓷方向与极化方向相同，电场使极化强度增大。这时陶瓷片内正负束缚电荷之

16、间间距增大，陶瓷片沿极化方向伸片内正负束缚电荷之间间距增大，陶瓷片沿极化方向伸片内正负束缚电荷之间间距增大，陶瓷片沿极化方向伸片内正负束缚电荷之间间距增大，陶瓷片沿极化方向伸长。相反，加一与极化方向相反的电压，则陶瓷片缩短。长。相反，加一与极化方向相反的电压，则陶瓷片缩短。长。相反，加一与极化方向相反的电压，则陶瓷片缩短。长。相反，加一与极化方向相反的电压，则陶瓷片缩短。第17页，本讲稿共48页从上面分析可看出，压电陶瓷表现出的放电充电现象，是通从上面分析可看出，压电陶瓷表现出的放电充电现象，是通从上面分析可看出，压电陶瓷表现出的放电充电现象，是通从上面分析可看出，压电陶瓷表现出的放电充电现象

17、，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过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的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。释放或补充的结果。释放或补充的结果。释放或补充的结果。2007.10.8 JGLX303-2007.10.8 JGLX303-第18页，本讲稿共48页压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷两种。对于压电材料压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷两种。对于压电材料压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷两种。对于压电材料压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷两种。对于压电材料要求以下几个方面：要求以下几个方面

18、：要求以下几个方面：要求以下几个方面：1.1.转换性能，压电常数大；转换性能，压电常数大；转换性能，压电常数大；转换性能，压电常数大；2.2.机械性能；机械性能；机械性能；机械性能；3.3.电性能，电阻率、介电常数大；电性能，电阻率、介电常数大；电性能，电阻率、介电常数大；电性能，电阻率、介电常数大；4.4.环境适应性强；环境适应性强；环境适应性强；环境适应性强；5.5.时间稳定性。时间稳定性。时间稳定性。时间稳定性。一、石英晶体一、石英晶体一、石英晶体一、石英晶体石英晶体具有良好的压电特性。其介电常数和压电系数的温石英晶体具有良好的压电特性。其介电常数和压电系数的温石英晶体具有良好的压电特性

19、。其介电常数和压电系数的温石英晶体具有良好的压电特性。其介电常数和压电系数的温度稳定性好。在常温下几乎不变。度稳定性好。在常温下几乎不变。度稳定性好。在常温下几乎不变。度稳定性好。在常温下几乎不变。5.2 5.2 压电材料压电材料第19页，本讲稿共48页石英晶体性能稳定，机械强度高，绝缘性能好。缺点价格昂贵，石英晶体性能稳定，机械强度高，绝缘性能好。缺点价格昂贵，石英晶体性能稳定，机械强度高，绝缘性能好。缺点价格昂贵，石英晶体性能稳定，机械强度高，绝缘性能好。缺点价格昂贵，压电系数低。一般用于标准仪器和要求较高的传感器中。压电系数低。一般用于标准仪器和要求较高的传感器中。压电系数低。一般用于标

20、准仪器和要求较高的传感器中。压电系数低。一般用于标准仪器和要求较高的传感器中。第20页，本讲稿共48页由于石英晶体各向异性设计传感器时需根据需要选用不同由于石英晶体各向异性设计传感器时需根据需要选用不同由于石英晶体各向异性设计传感器时需根据需要选用不同由于石英晶体各向异性设计传感器时需根据需要选用不同的切片方向。的切片方向。的切片方向。的切片方向。IREIRE标准规定切型符号用一组字母和角度表标准规定切型符号用一组字母和角度表标准规定切型符号用一组字母和角度表标准规定切型符号用一组字母和角度表示。示。示。示。(YXl)/35(YXl)/35 第21页，本讲稿共48页二、压电陶瓷二、压电陶瓷二、

21、压电陶瓷二、压电陶瓷压电陶瓷具有很高的压电系数。主要有：钛酸钡压电陶瓷，锆压电陶瓷具有很高的压电系数。主要有：钛酸钡压电陶瓷，锆压电陶瓷具有很高的压电系数。主要有：钛酸钡压电陶瓷，锆压电陶瓷具有很高的压电系数。主要有：钛酸钡压电陶瓷，锆钛酸铅系压电陶瓷。钛酸铅系压电陶瓷。钛酸铅系压电陶瓷。钛酸铅系压电陶瓷。(XYtl)5/-50(XYtl)5/-50 第22页，本讲稿共48页一、等效电路一、等效电路一、等效电路一、等效电路当压电传感器承受机械应力作用时，在它两极板上出现当压电传感器承受机械应力作用时，在它两极板上出现极性相反的等量电荷。因此可以把压电传感器看成一极性相反的等量电荷。因此可以把压

22、电传感器看成一静电发生器，也可看成两极板充有电荷的电容器。静电发生器，也可看成两极板充有电荷的电容器。5.3 5.3 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路第23页，本讲稿共48页因此，压电传感器可以等效为一个电压源因此，压电传感器可以等效为一个电压源因此，压电传感器可以等效为一个电压源因此，压电传感器可以等效为一个电压源 和一个电容器和一个电容器和一个电容器和一个电容器 的串联电路。的串联电路。的串联电路。的串联电路。也可以等效为一个电荷源也可以等效为一个电荷源也可以等效为一个电荷源也可以等效为一个电荷源 和一个电容器和一个电容器和一个电容器和一个电容器 并联电路。并联电路。并联电路。并联

23、电路。由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无“泄漏泄漏泄漏泄漏”，外电路负载为无穷大时，传感器产生的电压或电荷才能外电路负载为无穷大时，传感器产生的电压或电荷才能外电路负载为无穷大时，传感器产生的电压或电荷才能外电路负载为无穷大时，传感器产生的电压或电荷才能长期保存。长期保存。长期保存。长期保存。第24页，本讲稿共48页考虑分布电容、电阻、前置放大器输入电阻、电容，传感器考虑分布电容、电阻、前置放大器输入电阻、电容，传感器考虑分布电容、电阻、前置放大器输入电阻、电容，传感器

24、考虑分布电容、电阻、前置放大器输入电阻、电容，传感器的完整等效电路如下。的完整等效电路如下。的完整等效电路如下。的完整等效电路如下。第25页，本讲稿共48页二、测量电路二、测量电路（一）电压放大器（一）电压放大器传感器连接电压放大器等效电路如下。传感器连接电压放大器等效电路如下。第26页，本讲稿共48页上面图中上面图中上面图中上面图中下面分析电压放大器的动态情况。设压电元件受一正弦下面分析电压放大器的动态情况。设压电元件受一正弦变化力变化力设压电材料为压电陶瓷，其压电系数为设压电材料为压电陶瓷，其压电系数为设压电材料为压电陶瓷，其压电系数为设压电材料为压电陶瓷，其压电系数为 ，则传感器电压，则

25、传感器电压，则传感器电压，则传感器电压输出为输出为输出为输出为第27页，本讲稿共48页放大器输入端电压用复数表示为放大器输入端电压用复数表示为放大器输入端电压用复数表示为放大器输入端电压用复数表示为 的幅值为的幅值为的幅值为的幅值为输入电压与作用力的相差为输入电压与作用力的相差为输入电压与作用力的相差为输入电压与作用力的相差为2006.10.13 JC204-2006.10.13 JC204-第28页，本讲稿共48页令令令令 ，得，得，得，得 有上式知，当有上式知，当有上式知，当有上式知，当 时，前置放大器输入端与频时，前置放大器输入端与频时，前置放大器输入端与频时，前置放大器输入端与频率无关

26、。实际使用中通常认为当率无关。实际使用中通常认为当率无关。实际使用中通常认为当率无关。实际使用中通常认为当 时，输入时，输入时，输入时，输入电压即与频率无关。定义电压灵敏度电压即与频率无关。定义电压灵敏度电压即与频率无关。定义电压灵敏度电压即与频率无关。定义电压灵敏度第29页，本讲稿共48页通常通常通常通常 ，上式简化为，上式简化为，上式简化为，上式简化为从上式看出，较小电容可以提高灵敏度。另外增大输入从上式看出，较小电容可以提高灵敏度。另外增大输入内阻，可以提高时间常数，改善低频响应。内阻，可以提高时间常数，改善低频响应。电压灵敏度与电缆分布电容有关，因此改变电缆将导致输出电电压灵敏度与电缆

27、分布电容有关，因此改变电缆将导致输出电电压灵敏度与电缆分布电容有关，因此改变电缆将导致输出电电压灵敏度与电缆分布电容有关，因此改变电缆将导致输出电压变化。压变化。压变化。压变化。为了减少电缆的影响可以将前置放大器放入传感器内，使得连为了减少电缆的影响可以将前置放大器放入传感器内，使得连为了减少电缆的影响可以将前置放大器放入传感器内，使得连为了减少电缆的影响可以将前置放大器放入传感器内，使得连接电缆最小。实际中通常将一阻抗变换器植入传感器中，接电缆最小。实际中通常将一阻抗变换器植入传感器中，接电缆最小。实际中通常将一阻抗变换器植入传感器中，接电缆最小。实际中通常将一阻抗变换器植入传感器中，下图为

28、一实用的阻抗变换电路。下图为一实用的阻抗变换电路。下图为一实用的阻抗变换电路。下图为一实用的阻抗变换电路。第30页，本讲稿共48页第31页，本讲稿共48页（二）电荷放大器（二）电荷放大器（二）电荷放大器（二）电荷放大器电荷放大器是一个电容反馈的放大器。电路图如下。电荷放大器是一个电容反馈的放大器。电路图如下。电荷放大器是一个电容反馈的放大器。电路图如下。电荷放大器是一个电容反馈的放大器。电路图如下。第32页，本讲稿共48页由上图，考虑运放的由上图，考虑运放的“虚断虚断”效应，有效应，有第33页，本讲稿共48页由上式得到前面电路的等效电路如下。由上式得到前面电路的等效电路如下。由上式得到前面电路

29、的等效电路如下。由上式得到前面电路的等效电路如下。从上式可见，从上式可见，从上式可见，从上式可见，等效到等效到等效到等效到A A0输入端时，电容输入端时，电容输入端时，电容输入端时，电容 增大增大增大增大 倍，电导倍，电导倍，电导倍，电导 也增大也增大也增大也增大 倍。这称为倍。这称为倍。这称为倍。这称为“密勒效应密勒效应密勒效应密勒效应”。于是上图中。于是上图中。于是上图中。于是上图中第34页，本讲稿共48页设传感器受一正弦规律变化的力作用，产生的电荷也按正弦设传感器受一正弦规律变化的力作用，产生的电荷也按正弦设传感器受一正弦规律变化的力作用，产生的电荷也按正弦设传感器受一正弦规律变化的力作

30、用，产生的电荷也按正弦规律变化，即规律变化，即规律变化，即规律变化，即相应的电流为相应的电流为相应的电流为相应的电流为于是有于是有第35页，本讲稿共48页如果考虑电缆电容如果考虑电缆电容如果考虑电缆电容如果考虑电缆电容 ，有，有，有，有第36页，本讲稿共48页当放大器增益当放大器增益当放大器增益当放大器增益 足够大时，考虑足够大时，考虑足够大时，考虑足够大时，考虑 则则则则由上式知，当增益由上式知，当增益 足够大时，输出电压只取决于输足够大时，输出电压只取决于输入电荷入电荷 与反馈电容与反馈电容 。下面分析放大器开环放大倍数下面分析放大器开环放大倍数下面分析放大器开环放大倍数下面分析放大器开环

31、放大倍数 对精度的影响。采用下式对精度的影响。采用下式对精度的影响。采用下式对精度的影响。采用下式及及第37页，本讲稿共48页于是误差为于是误差为于是误差为于是误差为若若若若要求要求 ，则有，则有第38页，本讲稿共48页解上面不等式得解上面不等式得解上面不等式得解上面不等式得一般运放的开环增益可达到一般运放的开环增益可达到 倍，因此电荷放大倍，因此电荷放大器电路可以达到很高的精度。器电路可以达到很高的精度。当工作频率很低时，前面式中分母中的电导项与电纳项当工作频率很低时，前面式中分母中的电导项与电纳项相比不可忽略，此时输出电压与工作频率有关，即相比不可忽略，此时输出电压与工作频率有关，即第39

32、页，本讲稿共48页上面式子整理得上面式子整理得由上式知，由上式知，由上式知，由上式知，-3dB截止频率为截止频率为截止频率为截止频率为相位差为相位差为第40页，本讲稿共48页一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器（一）结构原理（一）结构原理（一）结构原理（一）结构原理压电式加速度传感器结构参见下图。压电式加速度传感器结构参见下图。压电式加速度传感器结构参见下图。压电式加速度传感器结构参见下图。5.4 5.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用第41页，本讲稿共48页当传感器作加速运动时，质量块受到与加速度方向相反的惯当传感器作加速运动时，质量块受到与加速度方向相反的惯当传感器作加速运动

33、时，质量块受到与加速度方向相反的惯当传感器作加速运动时，质量块受到与加速度方向相反的惯性力作用。此力为性力作用。此力为性力作用。此力为性力作用。此力为 。该惯性力的反作用力作用。该惯性力的反作用力作用。该惯性力的反作用力作用。该惯性力的反作用力作用于压电陶瓷上，产生的电荷为于压电陶瓷上，产生的电荷为于压电陶瓷上，产生的电荷为于压电陶瓷上，产生的电荷为传感器内压电陶瓷连接方式有两种，并联与串联。参见下图。传感器内压电陶瓷连接方式有两种，并联与串联。参见下图。传感器内压电陶瓷连接方式有两种，并联与串联。参见下图。传感器内压电陶瓷连接方式有两种，并联与串联。参见下图。并联并联并联并联串联串联串联串联

34、第42页，本讲稿共48页（二）动态响应（二）动态响应（二）动态响应（二）动态响应压电式加速度传感器可用质量压电式加速度传感器可用质量压电式加速度传感器可用质量压电式加速度传感器可用质量 ，弹簧，弹簧，弹簧，弹簧 ，阻尼，阻尼，阻尼，阻尼 的二的二的二的二阶系统来模拟，如图。阶系统来模拟，如图。阶系统来模拟，如图。阶系统来模拟，如图。设被测振动物体位移设被测振动物体位移设被测振动物体位移设被测振动物体位移 ，质量，质量，质量，质量块的相对位移为块的相对位移为块的相对位移为块的相对位移为 ，则质量块，则质量块，则质量块，则质量块与被测振动物体的相对位移为与被测振动物体的相对位移为与被测振动物体的相

35、对位移为与被测振动物体的相对位移为 ，即，即根据牛顿第二定律有根据牛顿第二定律有根据牛顿第二定律有根据牛顿第二定律有第43页，本讲稿共48页将上式变形，得将上式变形，得上式整理，得上式整理，得令令令令 第44页，本讲稿共48页得得得得上式为标准的二阶系统微分方程。输入为上式为标准的二阶系统微分方程。输入为上式为标准的二阶系统微分方程。输入为上式为标准的二阶系统微分方程。输入为 ，输出为，输出为，输出为，输出为 ，也是压电元件受力后的变形量。因此压电元件受力，也是压电元件受力后的变形量。因此压电元件受力，也是压电元件受力后的变形量。因此压电元件受力，也是压电元件受力后的变形量。因此压电元件受力产

36、生的电荷为产生的电荷为产生的电荷为产生的电荷为第45页，本讲稿共48页二、压电式压力传感器二、压电式压力传感器二、压电式压力传感器二、压电式压力传感器压电式压力传感器主要用于测量动态压力。其结构参见压电式压力传感器主要用于测量动态压力。其结构参见下图。下图。第46页，本讲稿共48页三、压电式流量计三、压电式流量计三、压电式流量计三、压电式流量计压电式流量计是利用超声波在流动的流体内传播时，相位压电式流量计是利用超声波在流动的流体内传播时，相位压电式流量计是利用超声波在流动的流体内传播时，相位压电式流量计是利用超声波在流动的流体内传播时，相位发生改变来实现流量测量的。实际测量的是流体的流速，发生

37、改变来实现流量测量的。实际测量的是流体的流速，发生改变来实现流量测量的。实际测量的是流体的流速，发生改变来实现流量测量的。实际测量的是流体的流速，通过流速计算出流量。通过流速计算出流量。通过流速计算出流量。通过流速计算出流量。第47页，本讲稿共48页本章重点：本章重点：1.1.掌握压电效应、逆压电效应产生的机理；掌握压电效应、逆压电效应产生的机理；掌握压电效应、逆压电效应产生的机理；掌握压电效应、逆压电效应产生的机理；2.2.掌握电压放大器、电荷放大器的工作原理；掌握电压放大器、电荷放大器的工作原理；掌握电压放大器、电荷放大器的工作原理；掌握电压放大器、电荷放大器的工作原理；3.3.了解压电式传感器的特性及各种应用。了解压电式传感器的特性及各种应用。习题：习题：习题：习题：5-15-1，5-2，5-35-3，5-75-7，5-95-9，5-12第48页，本讲稿共48页