传感器第4章压电式.ppt

《传感器第4章压电式.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器第4章压电式.ppt（82页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 n n主要内容主要内容 n n n n1.1.1.1.压电效应压电效应压电效应压电效应 n n2.2.2.2.压电压电压电压电材料材料材料材料 n n3.3.3.3.压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器测量电路测量电路测量电路测量电路 n n4.4.4.4.压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式传感器的应用压电式传感器的应用 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是应用正压电效应将非电量转换成电量的一压电式传感器是应用正压电效应将非电量转换成电量的一种传感器。种传感器。材料受力变形时，其表面会有电荷产生而实现非电材料受力

2、变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。量测量。压电式传感器本身具有转换能量，是一种典型的有源传感器压电式传感器本身具有转换能量，是一种典型的有源传感器;又称为发电式传感器。又称为发电式传感器。压电效应具有正压电、逆压电两种效应，具有可逆性，是一压电效应具有正压电、逆压电两种效应，具有可逆性，是一种典型的种典型的”双向传感器双向传感器”。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 特点特点:工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。工作可靠。应用范围：应用范围：各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通各种动态力、机械冲

3、击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。信、宇航等领域。压电加速度计 压电陶瓷超声换能器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 各种小巧的压力传感器各种小巧的压力传感器压电传感器的外形压电传感器的外形压力变送器部件压力变送器部件压力变送器压力变送器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电警号压电警号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第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.1 4.1 压电效应压电效应n正正(顺顺)压电效应：压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，用

4、而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。n逆压电效应：逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称能转换成机械能的现象称“逆压电效应逆压电效应”,又称为电致伸缩又称为电致伸缩效应。效应。F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介

5、质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电元件压电元件机械能电能 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英 晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压 电 晶 片按特定方向

6、切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 外形结构外形结构外形结构外形结构石英晶体的理想外形石英晶体的理想外形石英晶体的理想外形石英晶体的理想外形4.4.1.1.1 1 石石英英晶晶体体的的压压电电效效应应第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 n光轴（基准轴，光轴（基准轴，Z轴）轴）：光沿该方向通过没有双折射：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。n机械轴（机械轴（Y轴）轴）：垂直：垂直xz面，在电场作用下，该轴方面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。向的机械变形最明显。n电轴

7、（电轴（X轴）轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。压电效应最强。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 沿x方向施加压力时，右旋石英的x轴正向带正电，左旋石英的x轴正向带负电 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 当石英晶体未受外力作用时当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正、负离子正好分布在正六边形的顶角上正好分布在正六边形的顶角上,形成三个形成三个互成互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1P1、P2P2、P3P3。此时正负电荷重心重合此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量电偶极矩的矢量和等于零和等于零,即即P1+P2+P3=0

8、,P1+P2+P3=0,所以晶体表所以晶体表面不产生电荷面不产生电荷,即呈中性。即呈中性。电偶极矩电偶极矩P P=qLqL,q,q为电荷为电荷量量,L,L为正负电荷之间距为正负电荷之间距离。离。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 晶体沿晶体沿x x方向将产生压缩变形方向将产生压缩变形,正负离子的相对正负离子的相对位置也随之变动。位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在电偶极矩在x x方向上的分量由于方向上的分量由于P3P3的减小和的减小和P1P1、P2P2的增加而不等于零的增加而不等于零,在在x x轴的正方向出现正轴的正方向出现正电荷电荷,电偶极矩在

9、电偶极矩在y y方向上的分量仍为零方向上的分量仍为零,不不出现电荷。出现电荷。当作用力方向相反时当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。+-XYP1P2P3第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 当晶体受到沿当晶体受到沿y y轴方向的压力作用轴方向的压力作用时时,P,P1 1增大增大,P,P3 3、P P2 2 减小。减小。在垂直在垂直x x轴表面上出现电荷轴表面上出现电荷,它的它的极性为极性为x x轴正向为负电荷。轴正向为负电荷。在在y y轴方轴方向上不出现电荷。向上不出现电荷。当作用力方向相反时当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。第第4

10、 4章章 压电式传感器压电式传感器 +-XYP1P2P3如果沿如果沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力,因为晶体因为晶体在在x x方向和方向和y y方向所产生的形变完全相同方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩电偶极矩矢量和等于零。这表明沿矢量和等于零。这表明沿z z轴方向施加作轴方向施加作用力用力,晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.1.2 4.1.2 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 1.1.正压电效应工作原理正压电效应工作原理晶体受到晶体受到x x方向的压力方向的压力FxFx作

11、用，晶片将产作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。由极化理生厚度变形，并发生极化现象。由极化理论，在晶体线性范围内，极化强度与应力论，在晶体线性范围内，极化强度与应力成正比，即成正比，即极化强度在数值上等于晶体面上的电荷密度极化强度在数值上等于晶体面上的电荷密度其极间电压为其极间电压为t bac第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 2.2.逆压电效应工作原理逆压电效应工作原理在在UxUx的作用下，晶片沿的作用下，晶片沿X X轴方向将产生伸缩，即轴方向将产生伸缩，即3.3.正压电效应的极化电荷方向正压电效应的极化电荷方向1)1)在在x x轴方向上施加压缩力时，右旋石英晶体，在轴方向上施加

12、压缩力时，右旋石英晶体，在x x轴正向出现正轴正向出现正电荷。电荷。2 2）在）在x x轴方向施加拉伸力时，在垂直于轴方向施加拉伸力时，在垂直于x x轴的平面上仍会出现等轴的平面上仍会出现等量电荷，但极性相反。量电荷，但极性相反。3 3）在同一晶片上沿）在同一晶片上沿y y轴方向作用力，其电荷仍在与轴方向作用力，其电荷仍在与x x轴垂直的平面轴垂直的平面上出现。上出现。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 由上述可知：由上述可知：1)1)无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力（或应变）与无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间成线性关系；电荷（或电场强度

13、）之间成线性关系；2 2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。逆压电效应。3 3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。t bac第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电元件在受到力作用时，在相应的表面上产生表面电荷压电元件在受到力作用时，在相应的表面上产生表面电荷其计算公式为：其计算公式为：:单位面积上的作用单位面积上的作用力力d dijij:压电常数压电常数q:q:电荷密度电荷密度第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 x(1)y(2)z(3)vi(i=1,2,

14、3):表示晶体的极化方向，即在表示晶体的极化方向，即在i i面上产生电荷。面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于分别表示垂直于x、y、z轴轴的晶片表面的晶片表面vj(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿表示沿x,y,z方向作用的单向应力；方向作用的单向应力；4，5，6表示在表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力平面上承受的剪切应力X0X0切型石英晶体切片的力切型石英晶体切片的力 电分布电分布xz zF3(1)F2F1F4F6F5(3)(2)(1)(1)(3)(3)(2)(2)i=1、2、3 j=1、2、3、4、5、6y y第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电常数矩阵石英

15、晶体压电常数矩阵第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.1.34.1.3石英晶体的基本变形形式石英晶体的基本变形形式n厚度变形（d11)xyzT1T1+-zxyT2T2+-n长度变形（d12)第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 v面剪切变形v厚度剪切变形x(y)y(x)zT1T4(T5)+-T4(T5)xyzT6T6+-v体积变形第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电效应能量转换的几种基本形式压电效应能量转换的几种基本形式厚度受压型长度受压型第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 厚度切变型平面切变型体积受压型第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.2 4.2 压电

16、材料压电材料 压电材料分为三大类压电材料分为三大类 ：压电晶体（石英）：压电晶体（石英），压电陶瓷（钛酸钡、，压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅）和新型压电材料（压电半导体和高分子压电材料）。锆钛酸铅）和新型压电材料（压电半导体和高分子压电材料）。选择压电材料的依据：选择压电材料的依据：1.1.转换性能。（具有较大的压电常数）转换性能。（具有较大的压电常数）2.2.机械性能。机械性能。3.3.电性能。（高电阻率和大介电常数）电性能。（高电阻率和大介电常数）4.4.环境适应性。环境适应性。5.5.时间稳定性。时间稳定性。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.2.1石英晶体的主要性能n具有实用价值

17、的压电材料具有实用价值的压电材料n不需要人工极化不需要人工极化n没有热释电效应没有热释电效应（由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应（由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）n介电常数、压电常数的温度稳定性好介电常数、压电常数的温度稳定性好n居里点温度达：居里点温度达：5730 cn压电材料开始丧失压电性能的温度压电材料开始丧失压电性能的温度n性能稳定、机械强度高性能稳定、机械强度高第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.2.2 4.2.2 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 v压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。v材料内部的

18、晶粒有许多自发极化的电畴材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化它有一定的极化方向方向,从而存在电场。从而存在电场。v在无外电场作用时在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化它们的极化效应被相互抵消效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。不具有压电性质。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电陶瓷极化处理压电陶瓷极化处理在陶瓷上施加外电场时在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电趋向于按外电场方向的排列场方向的排列,从而

19、使材料得到极化。外电场愈强从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后外电场去掉后,电畴的极化方向电畴的极化方向基本不变基本不变,即剩余极化强度很大即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。这时的材料才具有压电特性。极化方向即外加电场方向，取为极化方向即外加电场方向，取为Z Z轴方向。轴方向。E第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 1)1

20、)压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度强度增大，内部束缚增大，内部束缚电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，

21、呈现充电状态。电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷与外力为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷与外力成正比关系，即成正比关系，即 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 2 2）压电陶瓷的逆压电效应）压电陶瓷的逆压电效应如果在陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场，如果在陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场，由于电场由于电场方向与极化方向相同，所以电场的作用使极化强度增大，压电方向与极化方向相同，所以电场的作用使极化强

22、度增大，压电陶瓷片沿极化方向产生伸长变形。同理，若改变电场方向同极化陶瓷片沿极化方向产生伸长变形。同理，若改变电场方向同极化方向相反，则陶瓷片将沿极化方向产生缩短变形。方向相反，则陶瓷片将沿极化方向产生缩短变形。这种由电效应转变为机械效应，或者说将电能转换为机械能的这种由电效应转变为机械效应，或者说将电能转换为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。变形与电场之间的关系为现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。变形与电场之间的关系为 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 分析可见：分析可见：（1 1）压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴，经）压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴

23、，经极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用（力或电场）下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。（力或电场）下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。（2 2）陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，陶瓷）陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，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，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，引起电极上的自由电荷的释放或补充的结果。引起电极上的自由电荷的释放或补充的结果。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.3 4.3 压电传感器的等效电

24、路压电传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器它也是一个电容器,晶体上晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板极板间物质等效于一种介质间物质等效于一种介质,则其电容量为则其电容量为式中式中:s压电片的面积压电片的面积;h压电片的厚度压电片的厚度;r压电材料的相对介电常数压电材料的相对介电常数。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 电荷电荷等效电路等效电路电压等效电路电压等效电路QQQ第第4 4章章 压电式传感器压电式

25、传感器 vv电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度 vv电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度 它们之间的关系它们之间的关系它们之间的关系它们之间的关系 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电传感器的实际等效电路压电传感器在实际使用时压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路总要与测量仪器或测量电路相连接相连接,因此还须考虑连接电缆的等效因此还须考虑连接电缆的等效电容电容C Cc c,放大器的输入电阻放大器的输入电阻Ri,输入电容输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻以及压电传感器的泄漏电阻Ra 等效电压源 等效电流源第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 4.4 4.4 压电

26、式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 4.4.14.4.14.4.14.4.1压电压电元件元件元件元件结结构形式构形式构形式构形式 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 在在在在实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中为为为为提提提提高高高高灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度使使使使表表表表面面面面有有有有足足足足够够够够的的的的电电电电荷荷荷荷，常常常常常常常常把把把把两两两两片片片片、四四四四片片片片压压压压电电电电元元元元件件件件组组组组成成成成在在在在一一一一起起起起使使使使用用用用。由由由由于于于于压压压压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：电材料有极性，因此存在连接方法，双片

27、连接时：电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：电路串联电路串联电路串联电路串联电路并联电路并联电路并联电路并联+_U_+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+_+_U+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 n串联串联;电荷相等电荷相等电压相加电压相加电容减小电容减小n并联：并联：n电压相等电压相等n电荷相加电荷相加n电容相加电容相加第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 前置电路有两个作用，前置

28、电路有两个作用，前置电路有两个作用，前置电路有两个作用，一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；根据等效电路根据等效电路根据等效电路根据等效电路 压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：因此，前置放大器也有两种形式：因此，前置放大器也有两种形式：因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。电压放大器和电荷放大器。电压放大器和电荷放大器

29、。电压放大器和电荷放大器。与其配套的测量电路也有电压放大器和电荷放大器两种形式的电与其配套的测量电路也有电压放大器和电荷放大器两种形式的电与其配套的测量电路也有电压放大器和电荷放大器两种形式的电与其配套的测量电路也有电压放大器和电荷放大器两种形式的电路。路。路。路。4.4.24.4.2压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路4.4.2.1 4.4.2.1 4.4.2.1 4.4.2.1 电压放大器原理电压放大器原理电压放大器原理电压放大器原理 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 电压放大器等效电压放大器等效电路示意图简化图第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电

30、式传感器压电式传感器 理想情况理想情况理想情况理想情况前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 00901.0UimUam0.51234A.A.=0=0（静态量）时，静态量）时，U Uimim/U/Uamam=0=0（输入电压为零）输入电压为零）所以不能测量静态量。所以不能测量静态量。B.B.33（高频情况），高频情况），U Uimim/U/Uamam11，实际接近理想，输入电压与作用力频实际接近理想，输入电压与

31、作用力频率无关。率无关。C.C.一定，一定，越高，高频响应越好越高，高频响应越好对低频测量情况：对低频测量情况：一定，一定，偏差越大偏差越大所以要求所以要求要大，扩大低频响应范围要大，扩大低频响应范围第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 D.D.D.D.传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度从传感器电压灵敏度可见，连接电缆的分布电容从传感器电压灵敏度可见，连接电缆的分布电容从传感器电压灵敏度可见，连接电缆的分布电容从传感器电压灵敏度可见，连接电缆的分布电容CcCcCcCc影响传影响传影响传影响传 感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对感器灵敏度，使用

32、时更换电缆就要求重新标定，测量系统对感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对 电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。4.4.2.24.4.2.24.4.2.24.4.2.2电荷放大器原理电荷放大器原理电荷放大器原理电荷放大器原理 为为为为解解解解决决决决电电电电缆缆缆缆分分分分布布布布电电电电容容容容对对对对传传传传感感感感器器器器灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度的的的的影影影影响响响响和和和和低低低低频频频频

33、响响响响应应应应差差差差的的的的缺缺缺缺点点点点可可可可采采采采用用用用电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大，而而而而且且且且集集集集成成成成运运运运放放放放组组组组成成成成的的的的电电电电荷荷荷荷放放放放大器有较好的性能大器有较好的性能大器有较好的性能大器有较好的性能。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。大器。利用电容作反馈元件的深度负

34、反馈的高增益运放。大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 -kUoCfQa结论：结论：1)1)因因U U0f(Qf(Q，C Cf f)，只与变量，只与变量Q Q，C Cf f有关，而与放大系数和电缆有关，而与放大系数和电缆电容无关，故灵敏度与电缆无关。电容无关，故灵敏度与电缆无关。2)2)当当Cf=常数时，则常数时，则 。3)3)当当Cf f增大增大时，时，U Uo o减小，故需选择合适的减小，故需选择合适的C Cf f值。值。（1 1 1 1）理想电荷放大器原理）理想电荷放大器原理）理想电荷放大器原理）理想电荷放大器原理 第第4 4章章 压

35、电式传感器压电式传感器 （2 2 2 2）实际电荷放大器原理）实际电荷放大器原理）实际电荷放大器原理）实际电荷放大器原理 RfkUoCfCiCcCaQ第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 结论：结论：1)1)电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压 。2)U2)U0f(Qf(Q，C Cf f)，只与变量，只与变量Q Q，C Cf f有关，而与放大系数和电缆有关，而与放大系数和电缆电容无关，但必须满足两个条件电容无关，但必须满足两个条件:和和k k，但电缆线不易太长，否则会降低信噪比，使低频特性变坏。但电缆线不易太长，否则会降低信噪比，使低频特性变坏。4.5 4.5 压电传感器的应用压电传感

36、器的应用第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 1 1 1 1压电晶体振荡器；压电晶体振荡器；压电晶体振荡器；压电晶体振荡器；2 2 2 2压电加速度计传感器；压电加速度计传感器；压电加速度计传感器；压电加速度计传感器；3 3 3 3压电式玻璃破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器；4 4 4 4血压测量；血压测量；血压测量；血压测量；5 5 5 5压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；收听器、超

37、声波换能器；收听器、超声波换能器；收听器、超声波换能器；6 6 6 6新型压电材料（聚偏二氟乙烯）新型压电材料（聚偏二氟乙烯）新型压电材料（聚偏二氟乙烯）新型压电材料（聚偏二氟乙烯）第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 变形方式变形方式厚度伸缩：纵向压电效应厚度伸缩：纵向压电效应长度伸缩：横向压电效应长度伸缩：横向压电效应厚度切变：剪切压电效应厚度切变：剪切压电效应长宽切变：面切压电效应长宽切变：面切压电效应体积压缩：纵横向压电效应体积压缩：纵横向压电效应组合形式组合形式结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等元件数目分：单晶片、双晶片和多晶片元件数目分

38、：单晶片、双晶片和多晶片极性方式分：串联、并联极性方式分：串联、并联第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 加速度计，力传感器加速度计，力传感器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电式力和压力传感器压电式力和压力传感器一、力传感器1、单向力传感器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 2、双向力传感器双向力传感器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 3、三向力传感器三向力传感器FXFZFY第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 受力分析第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章

39、压电式传感器压电式传感器 二、压力传感器二、压力传感器膜片式压电压力传感器：膜片式压电压力传感器：后座垫圈外壳石英晶片导电片传力块膜片第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电式血压传感器如图压电陶瓷，压电式血压传感器如图压电陶瓷，双晶片悬梁结构。双晶片极化方双晶片悬梁结构。双晶片极化方向相反，并联相接。在敏感振膜向相反，并联相接。在敏感振膜中央上下两侧各胶粘有半圆柱塑中央上下两侧各胶粘有半圆柱塑料块。被测动脉血压通过上塑料料块。被测动脉血压通过上塑料块、振膜、下塑料块传递到压电块、振膜、下塑料块传递到压电悬梁的自由端。压电梁弯曲变形悬梁的自由端。

40、压电梁弯曲变形产生压电式血压传感器的电荷输产生压电式血压传感器的电荷输出出。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 （1 1）工作原理）工作原理结构组成结构组成基座基座壳体弹簧质量块压电片压电式加速度传感器压电式加速度传感器第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 压电式加速度传感器属于惯性式压电式加速度传感器属于惯性式传感器。传感器。测量时传感器基座与试件刚性连测量时传感器基座与试件刚性连接在一起。接在一起。它是利用某些物质如石英晶体的它是利用某些物质如石英晶体的压电效

41、应，当传感器受振时，质量压电效应，当传感器受振时，质量块受到与加速度方向相反的力的作块受到与加速度方向相反的力的作用，并作用在压电元件上。用，并作用在压电元件上。当被测振动频率远低于加速度计当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。传感器输出电荷也加速度成正比。传感器输出电荷也与加速度成正比。与加速度成正比。（2 2）工作原理）工作原理第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 质量块的绝对位移x2，激励为x1 ，质量块相对位移xt频响特性受力分析第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 拉氏变换得拉氏变换得 传递函数为传递函数为 第第

42、4 4章章 压电式传感器压电式传感器 （3 3）压电加速度传感器的结构）压电加速度传感器的结构1、压缩型质量块外壳压电元件基座第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 特点：特点：n基于厚度变形基于厚度变形,结构简单。结构简单。n频响好（固有频率高）频响好（固有频率高）n灵敏度高灵敏度高n对环境影响（基座变形、应变、温度变化、声噪声）对环境影响（基座变形、应变、温度变化、声噪声）比较敏感比较敏感第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 2、剪切型剪切型环型剪切外壳基座质量块压电元件中心柱第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 预紧环压电元件质量块三角

43、中心柱三角剪切型三角剪切型第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 H H剪切型剪切型压电元件质量块第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 剪切型的特点剪切型的特点n受环境影响小受环境影响小n横向灵敏度小横向灵敏度小n尺寸小、重量轻尺寸小、重量轻n灵敏度高灵敏度高n频响高频响高第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 (a)中心安装压缩型中心安装压缩型(b)环形剪切型环形剪切型(c)三角剪切型三角剪切型v常用的压电式加速度计的结构形式如图所示。常用的压电式加速度计的结构形式如图所示。S S是弹簧，是弹簧，M M是质量块，是质量块，B B是基是基座，座，P P是压电元件，是压电元件，R R是夹

44、持环。是夹持环。v图图a a是中央安装压缩型，压电元件是中央安装压缩型，压电元件质量块质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B B与测试对象连接时，与测试对象连接时，如果基座如果基座B B有变形则将直接影响输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响有变形则将直接影响输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。易引起温度漂移。v图图b b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环为环形剪切

45、型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。而变软，因此最高工作温度受到限制。v图图c c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。有极好的隔离作用，有较高的共振频

46、率和良好的线性。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 3、三向加速度传感器三向加速度传感器利用三组压电元件利用三组压电元件n第一组：压缩型n第二组：剪切型n第三组：剪切型第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换通常把传感

47、器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 振动分析振动分析第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 飞机轮子振动分析第第4 4章章 压电式传感器压电式传感器 影响压电式传感器主要因素影响压电式传感器主要因素横向灵敏度环境温度和湿度安装差异及基座应变噪声(电缆噪声，接地回路噪声）等