传感器结构原理与设计第六章压电式传感器.ppt

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1、山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器l压电式传感器基于某些物质的压电式传感器基于某些物质的压电效应压电效应工作，是工作，是一种发电式传感器（无源传感器）。一种发电式传感器（无源传感器）。l压电效应可逆，故压电式传感器是一种压电效应可逆，故压电式传感器是一种“双向传双向传感器感器”。l优点：优点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻、体积小。简单、工作可靠、重量轻、体积小。l缺点：缺点：无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料工作温度在声电缆，很

2、多压电材料工作温度在250250左右。左右。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第一节第一节 压电效应与压电元件压电效应与压电元件1 1、压电效应、压电效应n正压电效应：正压电效应：某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方向一定方向对其施力对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一一定表面定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。电状态的现象。n逆压电效应：逆压电效应：当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，这些施加电场，这些电介质就在电介质就在一定方向一定方向上产

3、生机械变形或机械压力，当上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。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山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n压电方程压电方程（1 1）直观表达式：）直观表达式：局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2 2）一般表达式：）一般表达式：几点说明：几点说明：下角标下角标i i、j j：i=1i=1、2 2、3 3，表示晶体的极化方

4、向；，表示晶体的极化方向；j=1j=1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6，分别表示沿分别表示沿x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴方向的单向应力轴方向的单向应力和围绕和围绕x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴作用的剪切应力。轴作用的剪切应力。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器应力符号规定：应力符号规定：单向应力的符号规定拉应力为正，压应力单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切应力的符号用右螺旋定则确定。图为负；剪切应力的符号用右螺旋定则确定。图6 62b2b表示其表示其正向。正向。需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也

5、作一规定，以确定以确定d dijij的符号，使得方程组具有更普遍的意义。的符号，使得方程组具有更普遍的意义。当电场方当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。向指向晶轴的正向时为正，反之为负。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（3 3）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：各参数含义：各参数含义：q q1 1、q q2 2、q q3 3垂直于垂直于x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的平面上的电荷面密度；轴的平面上的电荷面密度；1 1、2 2、3 3沿着沿着 x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的单向应力；轴的单向应力；4 4、5 5、

6、6 6围绕围绕x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的剪切应力；轴的剪切应力；山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 这样，压电材料的压电特性可以用它的这样，压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵压电常数矩阵表示表示如下：如下：补充说明：补充说明：压电常数压电常数d dijij的物理意义是指在的物理意义是指在“短路条件短路条件”下，单位应力产下，单位应力产生的电荷密度。生的电荷密度。“短路条件短路条件”是指压电元件的表面电荷从是指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在“二次效应二次效应”。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感

7、器二、压电材料二、压电材料l明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。l压电式传感器属于物性型，故选用压电式传感器属于物性型，故选用合适的压电材料合适的压电材料是设计是设计高性能传感器的关键。高性能传感器的关键。l压电材料选择的具体要求：压电材料选择的具体要求：转换性能。转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。机械性能。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。电性能。希望具有高电阻率

8、和大介电常数，以减弱外部分布电容的影希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。响并获得良好的低频特性。环境适应性强。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。得较宽的工作温度范围。时间稳定性。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器1 1、单晶体、单晶体n石英晶体种类：石英晶体种类：天然石英和人造石英。天然石英和人造石英。n石英晶体外形：石英晶体外形：镜像对称，理想外形具有镜像对称，理想外形具有3030个晶面。如

9、图个晶面。如图6 63a3a。n石英晶体的晶体轴石英晶体的晶体轴（右手直角坐标系表示）（右手直角坐标系表示）X X轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强，轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强，又称又称电轴电轴；Y Y轴，垂直于六边形对边的轴线，又称轴，垂直于六边形对边的轴线，又称机械轴机械轴，在电场作用下，沿，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；该轴方向的机械变形最明显；Z Z轴，垂直于轴，垂直于X X、Y Y轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法确轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法确定，又称定，又称光轴光轴。山东理工大学机械学院第六章 压电式传

10、感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器术语：术语：纵向压电效应：纵向压电效应：在在 1 1作用下产生电荷的压电效应；作用下产生电荷的压电效应；横向压电效应：横向压电效应：在在 2 2作用下产生电荷的压电效应。作用下产生电荷的压电效应。n石英晶体的切割方法：石英晶体的切割方法：X X切和切和Y Y切。切。X X切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行X X轴，长度平行轴，长度平行Y Y轴，宽度平行于轴，宽度平行于Z Z轴，以此原始位置旋转出来的切型；轴，以此原始位置旋转出来的切型；Y Y切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行切族：直角坐标中，

11、切片的原始位置是厚度平行Y Y轴，长度平行轴，长度平行X X轴，宽度平行于轴，宽度平行于Z Z轴，以此原始位置旋转出来的切型；轴，以此原始位置旋转出来的切型；山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n石英晶体的特点：石英晶体的特点：（1 1）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图6 65 5。术语术语 居里点：居里点：石英压电常数石英压电常数d d在常温几乎不随温度变化，但当温度超过在常温几乎不随温度变化，但当温度超过500500时，急剧下降，达到时，

12、急剧下降，达到573 573 时，石英晶体失去压电特性，该温时，石英晶体失去压电特性，该温度称其居里点或倒转温度。度称其居里点或倒转温度。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2 2）石英晶体的机械强度很高，可承受约）石英晶体的机械强度很高，可承受约10108 8PaPa的压力；在的压力；在冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和加速度。加速度。（3 3）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标准传感器或精度很高的传感器。准传感器或精度很高的传感器。n铌酸锂晶体：铌酸锂晶体：时

13、间稳定性远强于压电陶瓷，居里点高达时间稳定性远强于压电陶瓷，居里点高达12001200，适于做高温传感器。但其各向异性明显，比石英，适于做高温传感器。但其各向异性明显，比石英脆，耐冲击性差。脆，耐冲击性差。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、多晶体、多晶体n压电陶瓷：压电陶瓷：压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应，其电荷密度理后具有压电效应，其电荷密度q q与应力与应力 的关系的关系 q=dq=d33 33

14、d d33 33 纵向压电常数。其极化方向定为纵向压电常数。其极化方向定为Z Z轴。轴。其中，其中，BaTiOBaTiO3 3压电陶瓷的独立压电常数只有三个，其压电压电陶瓷的独立压电常数只有三个，其压电常数矩阵如下：常数矩阵如下：山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n压电陶瓷的制作工艺：压电陶瓷的制作工艺：原材料粉碎；原材料粉碎；成型；成型；高温烧结得到多晶导电体；高温烧结得到多晶导电体；人工极化。人工极化。人工极化过程：人工极化过程：原始压电陶瓷无压电性，烧结后有自发的电偶极距形成原始压电陶瓷无压电性，烧结后有自发的电偶极距形成的的“电畴电畴”，但其在原始材料中无序排列，极化能力相互，但

15、其在原始材料中无序排列，极化能力相互抵消。将这些小电畴置于抵消。将这些小电畴置于2030kv/cm的强化电场放的强化电场放23小时，极性转到接近电场方向。此时，铁电陶瓷具有压电小时，极性转到接近电场方向。此时，铁电陶瓷具有压电效应。效应。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n主要压电陶瓷材料：主要压电陶瓷材料：（1 1）钛酸钡压电陶瓷）钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCOBaCO3 3）和二氧化钛）和二氧化钛（TiOTiO2 2）按）按1 1：1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高

16、温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的晶体的5050倍）。不足之处是居里温度低（倍）。不足之处是居里温度低（120120），温度），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。稳定性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（PZTPZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300300以上，各项机电参

17、数受温度影响小，时间稳定性好。以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。（3 3）铌镁酸铅压电陶瓷（）铌镁酸铅压电陶瓷（PMNPMN）在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锰、钨等）还可以获得不同性能的PZTPZT材料，如铌镁酸铅材料，如铌镁酸铅压电陶瓷（压电陶瓷（PMNPMN）。）。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器术语：术语：压电陶瓷具有明显的压电陶瓷具有明显的热释电效应热释电效应。该效应是指：某些晶。该效应是指：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化体除了由于机械应力的作用而引

18、起的电极化(压电效应压电效应)之外，还可由于之外，还可由于温度变化而产生电极化温度变化而产生电极化。用热释电系数。用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1 1时，在单时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为CC(m(m2 2gg)。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器石英晶体的压电常数矩阵：石英晶体的压电常数矩阵：山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器压电陶瓷的压电常数矩阵：压电陶瓷的压电常数矩阵：山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器淄博宇海电子陶瓷有限公司淄博宇海电子陶瓷有限公司htt

19、p:/山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器三、压电元件常用结构形式三、压电元件常用结构形式n依据石英晶体压电常数矩阵，其变形方式包括以下四种依据石英晶体压电常数矩阵，其变形方式包括以下四种:1、厚度变形（、厚度变形（TE方式）方式）这种变形方式就是石英晶体的这种变形方式就是石英晶体的纵向压电效应纵向压电效应，产生的表，产生的表面电荷密度为面电荷密度为 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2、长度变形（、长度变形（LE方式）方式）这种变形方式是利用石英晶体的这种变形方式是利用石英晶体的横向压电效应横向压电效应，产生的，产生的表面电荷密度或表面电荷为

20、表面电荷密度或表面电荷为 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器3、剪切变形、剪切变形4、弯曲变形（、弯曲变形（BS方式）方式）非基本变形方式，是拉、压、剪切应力共同作用的结果。非基本变形方式，是拉、压、剪切应力共同作用的结果。可根据具体情况选择合适的压电常数。可根据具体情况选择合适的压电常数。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n压电陶瓷的变形方式压电陶瓷的变形方式 对于对于BaTiOBaTiO3 3压电陶瓷，除长度变形方式压电陶瓷，除长度变形方式(用用d d3131)、厚度变形、厚度变形方式方式(用用d d3333)和面剪切变形方式和面剪切变形方式(用用d d1515)以外，还有体积

21、变以外，还有体积变形方式形方式(简称简称VE)VE)可以利用，如图可以利用，如图6 67e7e所示。这时产生的所示。这时产生的表面电荷密度按下式计算表面电荷密度按下式计算 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器l双压电晶片双压电晶片 实际应用中，如果只用单片压晶片，要产生足够的表面实际应用中，如果只用单片压晶片，要产生足够的表面电荷需较大作用力。而电荷需较大作用力。而测表面粗糙度和微压差时提供的力测表面粗糙度和微压差时提供的力较小较小，故常将两片或两片以上压电片组合使用。，故常将两片或两片以上压电片组合使用。（1 1）双片悬臂元件）双片悬臂元件（即双片弯曲式压电传感器）（即双片弯曲式压电传感

22、器）当自由端受力当自由端受力F F时，晶片弯曲，上片受拉，下片受压，时，晶片弯曲，上片受拉，下片受压，中性面中性面OOOO长度不变。长度不变。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器图图6-7a 6-7a 悬臂梁悬臂梁山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器每个单片产生的电荷和电压为每个单片产生的电荷和电压为山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2 2）压电元件的并联和串联）压电元件的并联和串联 压电材料是有极性的。压电材料是有极性的。并联并联山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器串联串联山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第二节第二节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路一、等效电

23、路一、等效电路 压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，故可构压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，故可构成一个电容器。成一个电容器。qq电极压电元件Ca山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器电容量计算式：电容量计算式：压电元件受外力作用，两表面产生等量正、负电荷，其开压电元件受外力作用，两表面产生等量正、负电荷，其开路电压为：路电压为：山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 结论结论：压电传感器可等效为一个电荷源：压电传感器可等效为一个电荷源Q和一个电容器和一个电容器Ca的的并联电路并联电路，如图，如图69(a)；也可等效为电压源；也可等效为电压源U和一个电和一个电容器容器Ca的的

24、串联电路串联电路，如图，如图69(b)。其中，。其中，Ra为压电元件的为压电元件的漏电阻。漏电阻。CaRaCcRiCiQ电荷等效电路电荷等效电路山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器CaRaCcRiCiU电压等效电路电压等效电路 注意事项注意事项：如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时：如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑则应考虑连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容,前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻、输入电容输入电容。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器术语：术语：压电式传感器的灵敏度压电式传感器的灵敏度 电压灵敏度电压灵敏度k ku u：单位力产生的电压；：单位力产

25、生的电压；电荷灵敏度电荷灵敏度k kq q：单位力产生的电荷。：单位力产生的电荷。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器二、测量电路二、测量电路 压电式传感器本身的内阻很高压电式传感器本身的内阻很高(R Ra a10101010)，而输出的能，而输出的能量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个高输入阻抗的高输入阻抗的前置放大器前置放大器。前置放大器的作用：前置放大器的作用：u一是放大压电元件的微弱信号；一是放大压电元件的微弱信号；u二是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低输二是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低输出

26、阻抗）。出阻抗）。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器前置放大器的形式前置放大器的形式：u一种是电压放大器，其输出电压与输入电压一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(压电元件的压电元件的输出电压输出电压)成正比；成正比；u一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。比。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器1 1、电压放大器、电压放大器 将图将图6 69b9b的电压等效电路接到放大倍数为的电压等效电路接到放大倍数为A A的运放，再的运放，再简化可得电压放大电路。简化可得电压放大电路。AACaCaRaRiCiCcCRUiUoUo

27、U(a)(b)Ua山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器等效电阻等效电阻R为：为：压电元件所受作用力：压电元件所受作用力：C=Cc+Ci等效电容为：等效电容为：Fm作用力的幅值作用力的幅值山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器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，则则在在外外力力作用下，压电元件产生的电压值为作用下，压电元件产生的电压值为 Um电压幅值电压幅值 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器放大器输入端的电压放大器输入端的电压ui，其复数形式为，其复数形式为Ui的幅值的幅值Uim为为输入电压与作用力之间的相位差为输入电压与作用力

28、之间的相位差为山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器当当时，放大器输入端电压幅值为时，放大器输入端电压幅值为传感器的电压灵敏度为传感器的电压灵敏度为 结论：结论：因电缆电容及放大器输入电容的存在，灵敏度减因电缆电容及放大器输入电容的存在，灵敏度减小。如果更换电缆，电缆电容变化，灵敏度变化。因此，小。如果更换电缆，电缆电容变化，灵敏度变化。因此，如果要改变电缆长度，必须重新对灵敏度校正。如果要改变电缆长度，必须重新对灵敏度校正。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器相对幅频特性计算：相对幅频特性计算：山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器压电式传感器

29、的特点分析：压电式传感器的特点分析：（1 1）高频响应好；）高频响应好；（2 2）要扩展低频端，应使时间常数）要扩展低频端，应使时间常数增大。但不能靠增加增大。但不能靠增加测量回路的电容，电阻的增加也是不容易的。测量回路的电容，电阻的增加也是不容易的。（3 3）电缆不能太长，但可设计成一体化传感器，即放大器）电缆不能太长，但可设计成一体化传感器，即放大器置入传感器内部。置入传感器内部。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、电荷放大器、电荷放大器n电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图基本电路如图a a所示，所示，C

30、 CF F、R RF F为反馈电路参数。此处运为反馈电路参数。此处运用用导纳导纳运算。运算。nC CF F、R RF F等效到等效到A A的输入端时，电容的输入端时，电容C CF F和电导和电导G GF F都增大都增大(1(1A A)倍。所以图中倍。所以图中山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器ACaUoa a）基本电路图）基本电路图iRaQCFRFUiAGaCFUoUiQCaCcCiGiGFb b）等效电路图）等效电路图山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n若再考虑若再考虑Cc、Ci、Ri，则电荷放大器的等效电路图如，则电荷放大器的等效电路图如b所示。输出电压所示。输出电压讨论：讨论：

31、（1）当）当A足够大时足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出响电荷放大器的输出。输出电压只决定于输入电荷。输出电压只决定于输入电荷Q及及反馈回路的参数反馈回路的参数CF和和RF。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2）当工作频率很高（）当工作频率很高（即被测量为高频信号即被测量为高频信号），由于），由于GFCF,则则 可见输出电压可见输出电压Uo与与A也无关，只取决于也无关，只取决于Q和和CF。（3）当工作频率很低）当工作频率很低(即被测量为低频信号即被测量为低频信号），），GF与与CF相当，此时相当，此时山东理工大学机械学院第六章

32、压电式传感器 电压幅值为电压幅值为 上式表明：输出电压不仅与表面电荷上式表明：输出电压不仅与表面电荷Q Q有关，并且与参有关，并且与参数数C CF F、R RF F和和有关，而与开环增益有关，而与开环增益A A无关。且无关。且越小，越小，G GF F项越重要。当项越重要。当G GF FCCF F时，有时，有 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 可见这是可见这是截止频率点的输出电压截止频率点的输出电压，增益下降，增益下降3dB3dB时对应时对应的下限截止频率为的下限截止频率为 电压电压U Uo o与电荷与电荷Q Q的相位差为的相位差为山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器小结：小结：（1

33、 1）低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数）低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数R RF F和和C CF F,其中其中C CF F的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率以当给定工作频带下限截止频率f fL L时时,反馈电阻反馈电阻R RF F值也可确值也可确定。如当定。如当C CF F=1000pF,=1000pF,f fL L=0.16Hz=0.16Hz时时,则要求则要求R RF F10109 9。（2 2）电荷放大器工作频带上限取决于：运算放大器的频率）电荷放大器工作频带上限取决于：运算放大器的频率响

34、应；电缆长度（但影响较小）。响应；电缆长度（但影响较小）。（3 3）电荷放大器允许使用很长电缆，且电容变化不影响灵）电荷放大器允许使用很长电缆，且电容变化不影响灵敏度；但价格高，电路复杂，调整困难。敏度；但价格高，电路复杂，调整困难。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第三节第三节 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例 特点：特点：压电式传感器的高频响应好；若配备合适的电荷放压电式传感器的高频响应好；若配备合适的电荷放大器，低频段可低至大器，低频段可低至0.3Hz0.3Hz。常用来测量动态参数，如振。常用来测量动态参数，如振动、加速度等。动、加速度等。一、压电式加速度传感器一、压电

35、式加速度传感器1 1、单端中心压缩式、单端中心压缩式组成：质量块组成：质量块1 1、双压电晶体片、双压电晶体片2 2、引线、引线3 3、底座、底座4 4。公式：公式：QdFdma山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、梁式、梁式特点：采用压电晶体弯曲变形方案，可测较小的加速度，灵特点：采用压电晶体弯曲变形方案，可测较小的加速度，灵敏度高，敏度高，频率下限低频率下限低。如地壳、建筑物的振动。如地壳、建筑物的振动。3 3、挑担剪切式、挑担剪切式 压电元件只承受剪切力，可以有效削弱瞬变温度引起的热压电元件只承受剪切力，可以有效削弱瞬变温度引起的热释电效

36、应。测量冲击和轻型板、小元件的振动。释电效应。测量冲击和轻型板、小元件的振动。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器100100系列通用型压电加速度传感器系列通用型压电加速度传感器（上海北智技术有限公司）（上海北智技术有限公司）山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器二、压电式测力传感器二、压电式测力传感器1 1、单向压电测力传感器、单向压电测力传感器l石英晶片：石英晶片：纵向压电效应；采用纵向压电效应；采用X X零度切型（零度切型（即晶片面与即晶片面与X X轴垂直的切割，或者说晶片厚度沿轴垂直的切割，或者说晶片厚度沿X X轴方向，长度沿轴方向，长度沿

37、Y Y轴方轴方向向）；取电荷的电极为与）；取电荷的电极为与X X轴垂直的上下底面，晶片尺寸轴垂直的上下底面，晶片尺寸为为8181毫米，许用压力毫米，许用压力151015105 5PaPa；量程几；量程几kNkN10105 5 kNkN时，时，输出并联受力为串联型。输出并联受力为串联型。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器l上盖（盖板）：传力元件，它的变形壁的厚度只有上盖（盖板）：传力元件，它的变形壁的厚度只有0.10.10.50.5毫米；毫米；l金属基座金属基座l绝缘环：聚四氟材料；绝缘环：聚四氟材料；l焊缝：电子束焊接。焊缝：电子束焊接。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、三

38、向压电测力传感器、三向压电测力传感器l基本结构同单向测力传感器；基本结构同单向测力传感器；l压电元件由三对不同切型的石英片组成，中间一对由于具压电元件由三对不同切型的石英片组成，中间一对由于具有纵向压电效应，可以测得主切削力有纵向压电效应，可以测得主切削力P Pz z；另外两对具有切；另外两对具有切向效应，方向互成向效应，方向互成9090，可以测量径向力，可以测量径向力P Py y与进给力与进给力P Px x。l当空间任何方向的力作用在传感器上时，便能自动的分解当空间任何方向的力作用在传感器上时，便能自动的分解成三个互相垂直的分力。成三个互相垂直的分力。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器

39、电子束焊接山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器X XZ ZY Yq q1 1=d=d1111 1 1山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器X XZ ZY Yq q2 2=d=d2626 6 6山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器X XZ ZY Yq q2 2=d=d2626 6 6山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器三、三、PVDFPVDF压电薄膜压电薄膜lPVDFPVDF，有机高分子敏感材料，聚偏二氟乙烯，具有很强，有机高分子敏感材料，聚偏二氟乙烯，具有很强压电特性。压电特性。l主要优点：主要优点：1.1.高的压电灵敏度，比石英高十多倍；

40、高的压电灵敏度，比石英高十多倍；2.2.频响宽，频响宽，1010-5-5-5*10-5*108 8HzHz；3.3.韧性和加工性能好，易切割，易制成大面积元件和阵韧性和加工性能好，易切割，易制成大面积元件和阵列元件；列元件；4.4.声阻抗与水和人体肌肉接近，可作水听器和医用传感声阻抗与水和人体肌肉接近，可作水听器和医用传感元件。元件。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器l应用：应用：1.1.PVDFPVDF血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便。吻合，使用方便。2.2.机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，机器人触觉传感

41、器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件。薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器256256个圆形传个圆形传感器组成，感器组成，16*1616*16平面矩平面矩阵阵山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器四、集成化压电传感器四、集成化压电传感器l组成：压电传感器微型前置放大器（前端阻抗变换器、组成：压电传感器微型前置放大器（前端阻抗变换器、高低通滤波器、积分器、输出放大器、过载保护等电路）高低通滤波器、积分器、输出放大器、过载保护等电路）l优点：简化测试系统，省去电荷放大器；普通电缆传输信优点：简化测试系统，省去电荷放大器；普通电缆传输信号；低阻抗输出。号；低阻抗输出。l缺点：需要附加供电线路，温度受内装电子线路影响。缺点：需要附加供电线路，温度受内装电子线路影响。