压电式传感器优秀PPT.ppt

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1、第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是一种有源的双向机电压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应料的压电效应。石英晶体的压电效应早在早在1680年即已发觉，年即已发觉，1948年制作出年制作出第一个石英传感器。第一个石英传感器。下页下页返回返回第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理-压电效应压电效应6.2 影响压电传感器的因素影响压电传感器的因素6.3 压电材料压电材料6.4 等效电路等效电路6.5 测量电路测量电路6.6 压电式传感器

2、的应用举例压电式传感器的应用举例6.7 新型压电材料及应用新型压电材料及应用6.8 超声波传感器原理及应用超声波传感器原理及应用本章要点本章要点下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着确定方向受到外力作用某些晶体或多晶陶瓷，当沿着确定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又复原到不带电状符号相反的电荷；当外力去掉后，又复原到不带电状态；当作用力方向变更时，电荷的极性也随着变更；态；当作用力方向变更时，电荷的极性也随着变更；晶体受力所

3、产生的电荷量与外力的大小成正比。上述晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加确定变电现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加确定变电场，晶体本身将产朝气械变形，外电场撤离，变形也场，晶体本身将产朝气械变形，外电场撤离，变形也随着消逝，称为逆压电效应。随着消逝，称为逆压电效应。下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理|压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形

4、的状态可分作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可分为为 图图6-1所示的几种基本形式。所示的几种基本形式。|但由于压电晶体的各向异性，并不是全部的压电晶但由于压电晶体的各向异性，并不是全部的压电晶体都能在这几种变形态态下产生压电效应。例如体都能在这几种变形态态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。好的厚度变形和长度变形压电效应。下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理|压电方程和压电常数矩阵压电方程和压电常数矩阵|压电效应压电效应|正压电效应正压电效应某些晶体

5、或多晶陶瓷受某些晶体或多晶陶瓷受到外力作用时，内部就产生极化现象，到外力作用时，内部就产生极化现象，表面上产生符号相反的电荷的现象；表面上产生符号相反的电荷的现象；|逆压电效应逆压电效应如对晶体施加确定电场，如对晶体施加确定电场，晶体本身将产朝气械变形的现象。晶体本身将产朝气械变形的现象。下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理|自然石英晶体的结构外形自然石英晶体的结构外形|光轴光轴(Z轴轴):晶体的对称轴晶体的对称轴,光线沿光线沿Z轴通过晶轴通过晶体不产生双折射现象体不产生双折射现象,且无压电效应；且无压电效应；|电轴电轴(X轴轴):与该压轴垂直的面，压电

6、效应最为与该压轴垂直的面，压电效应最为显著显著;|机械轴机械轴(Y轴轴):在外电场作用时，在此轴上产生在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最大。的机械变形最大。下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理|压电方程压电方程压电效应的数学表达式压电效应的数学表达式压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小成正比。成正比。精确表达式精确表达式式中：式中：dij是压电常数，单位为是压电常数，单位为(C/N)；Pi是电荷的表面密度，单位为是电荷的表面密度，单位为(C/cm2);i是单位面积上的作用力（应力），是单位面积上的

7、作用力（应力），单位为单位为(N/cm2）。）。下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理|压电常数矩阵：压电常数矩阵：下页下页上页上页返回返回|一般状况下压电方程：一般状况下压电方程：6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理|石英晶体压电效应机理：石英晶体压电效应机理：下页下页上页上页返回返回6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理下页下页上页上页返回返回|单向应力单独作用时（单向应力单独作用时（Fx、Fy及及Fz），），只在表面只在表面A和和B上出现电荷，符号与上出现电荷，符号与Fx，Fy有关：有关：(1)P1 0，P2=P3=0,

8、(当只有当只有Fx或或Fy时时)：d11=-d12 0,d21=d31=0,d22=d32=0;(2)P1=P2=P3=0,(当只有当只有Fz时时)：d13=d23=d33=0;6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理下页下页上页上页返回返回|剪切力单独作用时，在表面剪切力单独作用时，在表面A和和B及及C和和D上出现电荷：上出现电荷：(3)P1 0，P2=P3=0,(当只有当只有4时时,使晶体在使晶体在x方向有伸缩方向有伸缩,等效有等效有1作用作用)：d14 0,d24=d34=0;(4)P2 0，P1=P3=0,(当只有当只有5、6时时,改变改变了晶体在了晶体在y方向无电荷的状况

9、方向无电荷的状况)：d25 0,d26 0,d15=d35=0,d16=d36=0;6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理下页下页上页上页返回返回|压电常数矩阵：压电常数矩阵：对石英晶体对石英晶体6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理下页下页上页上页返回返回|压电陶瓷压电效应机理压电陶瓷压电效应机理|压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。铁电体。|多晶：由多数微小单晶组成；多晶：由多数微小单晶组成；|铁电体：具有电畴结构；铁电体：具有电畴结构；|电畴：分子自发形成的极化方向相同的小电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。区

10、域。6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理下页下页上页上页返回返回|极化处理：在确定温度下，以强电场使极化处理：在确定温度下，以强电场使“电畴电畴”规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷，形成压电陶瓷。形成压电陶瓷。|压电常数矩：压电常数矩：注意事项：极化面在注意事项：极化面在Z轴，而轴，而X，Y轴各向同性。轴各向同性。6.1 压电转换元件的工作原理压电转换元件的工作原理下页下页上页上页返回返回|单向应力的压电方程表达单向应力的压电方程表达其中，其中，P

11、=Q/S，=F/S （S为作用面的面积），为作用面的面积），压电陶瓷与石英晶体比较压电陶瓷与石英晶体比较 压电陶瓷效果显著。压电陶瓷效果显著。6.2 影响压电式传感器主要因数影响压电式传感器主要因数横向灵敏度横向灵敏度横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只志向横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只志向的单轴压电传感器，应当仅敏感其轴向的作用力，的单轴压电传感器，应当仅敏感其轴向的作用力，而对横向作用力不敏感。产生缘由是压电片制造而对横向作用力不敏感。产生缘由是压电片制造得作用面不平行，粗糙，得作用面不平行，粗糙，以及安装不精确，使得力轴以及安装不精确，使得力轴 Sm与电轴与电轴SL（极化轴

12、）不重（极化轴）不重 合。二者成合。二者成角。其定义用其角。其定义用其 相对轴向灵敏度的百分比表相对轴向灵敏度的百分比表 示。示。下页下页上页上页返回返回 6.2 影响压电式传感器主要因数影响压电式传感器主要因数定义（用轴向灵敏度的百分比表示）：定义（用轴向灵敏度的百分比表示）：最大横向灵敏度最大横向灵敏度 Km=(Ky/Kz)100%=tg 100%;一般横向灵敏度一般横向灵敏度 Kt=(Kt/Kz)100%=tg cos 100%;下页下页上页上页返回返回6.2 影响压电式传感器主要因数影响压电式传感器主要因数产生横向灵敏度的必要条件产生横向灵敏度的必要条件（1）伴随轴向作用力的同时，存在

13、横向力；）伴随轴向作用力的同时，存在横向力；（2）压电元件本身具有横向压电效应。）压电元件本身具有横向压电效应。消退横向灵敏度的技术途径消退横向灵敏度的技术途径（1）从设计、工艺和运用诸方面确保力与电轴的）从设计、工艺和运用诸方面确保力与电轴的一样；一样；（2）尽量实行剪切型的力）尽量实行剪切型的力-电转换方式。一只较电转换方式。一只较好的压电传感器，最大横向灵敏度不大于好的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。下页下页上页上页返回返回6.2 影响压电式传感器主要因数影响压电式传感器主要因数环境温度和湿度环境温度和湿度环境温度对传感器的影响主要通过三个因素：环境温度对传感器的影响主要通过三个因

14、素：（1）压电材料的特性参数；）压电材料的特性参数；（2）某些压电材料的热释电效应（当一些晶体受热时，在）某些压电材料的热释电效应（当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变更而产生的电极化现象称为热释电效应热变更而产生的电极化现象称为热释电效应）；）；（3）传感器结构。）传感器结构。环境温度变更会使压电材料的压电常数环境温度变更会使压电材料的压电常数d、介电常数、介电常数、电、电阻率阻率和弹性系数和弹性系数k等机电特性参数发生变更。等机电特性参数发生变更。d 和和k 的变的变更将影响传感器的输出灵敏；更将影响传

15、感器的输出灵敏；和和的变更会导致时间常的变更会导致时间常数数RC的变更，从而使传感器的低频响应变更。的变更，从而使传感器的低频响应变更。下页下页上页上页返回返回6.3 压电材料压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面：考虑以下几个方面：转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动高、机械刚度大。以期获得宽的线性

16、范围和高的固有振动频率；频率；电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围；到宽的工作温度范围；时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。下页下页上页上页返回返回6.4 等效电路等效电路压电式传感器对被测量的变更是通过其压电元件产生电荷量压电式传感器对被测量的变更是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一

17、个电荷源。的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：材料为电介质的电容器，其电容量为：式中式中 s-极板面积极板面积 r-压电材料相对介电常数压电材料相对介电常数 0-真空介电常数真空介电常数 -压电元件厚度压电元件厚度下页下页上页上页返回返回Ra是压电元件的漏电阻是压电元件的漏电阻6.4 等效电路等效电路当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压，压电元件的开路电压(认为其负载电阻为

18、无穷大认为其负载电阻为无穷大)U为为 这样，可以把压电元件等效为一个电荷源这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器和一个电容器Ca的等效电路；同时也等效为的等效电路；同时也等效为 一个一个电压源电压源U和一个电容器和一个电容器Ca串联的等效电串联的等效电 路。其中路。其中Ra为压电元件的漏电阻。为压电元件的漏电阻。下页下页上页上页返回返回6.4 等效电路等效电路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：单位力产生的电压；电压灵敏度：单位力产生的电压；电荷灵敏度：单位力产生的电荷；电荷灵敏度：单位力产生的电荷；，。下页下页上页上页返回返回 依据压电元件的工作原理及上节所述两

19、种等依据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：放大器也有两种形式：电压放大器：其输出电压与输入电压电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元压电元件的输出电压件的输出电压)成正比。成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。6.5 测量电路测量电路下页下页上页上页返回返回6.5 测量电路测量电路下页下页上页上页返回返回Ri、Ci、Cc分别为放大器的输入电阻、输入电容和分别为放大器的输入电阻、输入电容和电缆线的电容电缆线的电容电压放大器和电荷放大器：电压放大器和电

20、荷放大器：6.5 测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器 电压放大器的作用是将压电式传感器的高输电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这种弱的电压信号进行适当放大因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。测量电路称为阻抗变换器。下页下页上页上页返回返回其中其中6.5 测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器 以压电陶瓷为例以压电陶瓷为例 设压电陶瓷受到交变外力设压电陶瓷受到交变外力F1作用作用下页下页上页上页返回返回用复数表示放大器的输入电压用复数表示放大器的输入电压6.5

21、测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器电压电压Ui的幅值的幅值电压电压Ui与作用力之间的相位差：与作用力之间的相位差：下页下页上页上页返回返回令令6.5 测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器 得得下页下页上页上页返回返回6.5 测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器电压电压幅值比和相角与频率比的关系曲电压电压幅值比和相角与频率比的关系曲线线从曲线知从曲线知=0，Um=0，电荷被泄漏，压电式，电荷被泄漏，压电式 传感器不能测量静态量传感器不能测量静态量(灵敏度下降灵敏度下降)；31,Um与作用力的频率无关与作用力的频率无关,高频响应特别好高频响应特别好;下页下页上

22、页上页返回返回6.5 测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器电压灵敏度电压灵敏度下页下页上页上页返回返回由此可知：要扩大低频响应范围由此可知：要扩大低频响应范围,必需增加必需增加R(而而不是不是C)来增加测量回路的时间常数来增加测量回路的时间常数=R(C+Ca),否否则则,电压灵敏度电压灵敏度kU下降下降;6.5 测量电路测量电路 6.4.1电压放大器电压放大器电压当电压当R1时时,说明说明：放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自：放大器输入电压及电压灵敏度与传感器自身电容身电容,电缆线电容有关。更换电缆需重新标定电缆线电容有关。更换电缆需重新标定系统灵敏度。系统灵敏度。下页下页上页上

23、页返回返回6.5 测量电路测量电路 6.4.2电荷放大器电荷放大器 由于电压放大器使所配接的压电式传由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变更而变更，而及传感器自身电容的变更而变更，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。的冲击测量放大器。下页下页上页上页返回返回6.5 测量电路测量电路 6.4.2电荷放大器电荷放大器特点：消退电缆分布电容的影响

24、；特点：消退电缆分布电容的影响；具有深度电容负反馈的高增益运具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。算放大器。电路简化：忽视电路简化：忽视Ri，Ra（），），运放的运放的K足够大足够大,高频忽视高频忽视RF；(低频时低频时RF不能忽视不能忽视)。下页下页上页上页返回返回6.5 测量电路测量电路 6.4.2电荷放大器电荷放大器 输出输出U0可以简化可以简化下页下页上页上页返回返回留意到留意到(1+K)CF(CC+Ca+Ci),6.5 测量电路测量电路 6.4.2电荷放大器电荷放大器 下页下页上页上页返回返回特点：特点：(1)输出电压输出电压U正比于输入电荷正比于输入电荷Q，输出灵，输出灵敏度不受电

25、缆分布电容的影响敏度不受电缆分布电容的影响;(2)适用于适用于高高频频(gFjCF);低频时输出低频时输出(RF不能忽视不能忽视)6.5 测量电路测量电路下页下页上页上页返回返回6.4.2电荷放大器电荷放大器特点：特点：(1)输出电压输出电压U正比于输入电荷正比于输入电荷Q;(2)输出电压与输出电压与反馈回路参数有关（反馈回路参数有关（CF，RF）;当当RF=1/CF 时，其幅值为理想值的时，其幅值为理想值的 倍，倍，此时，增益下降此时，增益下降3db，即为下限频率处：即为下限频率处：fL可以通过可以通过CF，RF来调整，来调整，低频响应好低频响应好。6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器

26、的应用举例下页下页上页上页返回返回压电元件串并联运用压电元件串并联运用并联增加输出电荷，电容变大，时间常数大，并联增加输出电荷，电容变大，时间常数大，适合测量缓慢变更的信号，以及一电荷输出的适合测量缓慢变更的信号，以及一电荷输出的场合。场合。串联时，增加输出电压，电容小，时间常数小，串联时，增加输出电压，电容小，时间常数小，适合测量高频信号，以及以电压的形式输出的适合测量高频信号，以及以电压的形式输出的场合。场合。6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例下页下页上页上页返回返回压电式压力传感器压电式压力传感器特点：压电元件并联运用特点：压电元件并联运用6.6 压电式传感器的应用举例

27、压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用：压电式传感器的应用：压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。常用来测量力量最终能转换为力的多种物理量。常用来测量力和加速度。例如，玻璃裂开报警；埋在地下作为和加速度。例如，玻璃裂开报警；埋在地下作为周界平安防护报警；交通道路监控，车床动态切周界平安防护报警；交通道路监控，车床动态切削力测量；体育动态力削力测量；体育动态力 (起跑，跳动起跑，跳动)测量；振动，爆破，地震，汽车测量；振动，爆破，地震，汽车平安气囊等。平安气囊等。下页下页上页上页返回返回土层压力传感器土层压力传感器压电式力

28、传感器压电式力传感器压电倾斜测量仪压电倾斜测量仪6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式传感器的特点：压电式传感器的特点：是能量转换型（发电型）传感器；是能量转换型（发电型）传感器；体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频体积小，重量轻，刚性好，可以提高有频体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围。其固有频率，得到较宽的工作频率范围。灵敏度高，稳定性好，牢靠。对应用纵向灵敏度高，稳定性好，牢靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关。无关，

29、因而灵敏度与传感器刚度无关。有比较志向的线性，且通常没有滞后现象。有比较志向的线性，且通常没有滞后现象。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用：压电式传感器的应用：1.低频特性较差，主要用于动态测量低频特性较低频特性较差，主要用于动态测量低频特性较差，主要用于动态测量；差，主要用于动态测量；2.存在横向效应，影响测量结果；存在横向效应，影响测量结果；3.应用中要求实行严格的绝缘措施，并接受低电应用中要求实行严格的绝缘措施，并接受低电容、低噪声电缆；容、低噪声电缆；4.工作原理可逆；工作原理可逆；5.应用：压电传感器可以干脆用于测力或测量与

30、应用：压电传感器可以干脆用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。力有关的压力、位移、振动加速度等。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例石英晶体几何切型：石英晶体几何切型：石英晶体优异的频率温度关系虽然能石英晶体优异的频率温度关系虽然能 够供应稳定的频率输出，但这仅仅局够供应稳定的频率输出，但这仅仅局 限于特定的晶体方向。通常我们称这限于特定的晶体方向。通常我们称这 些特殊的方向为不同的切型，意味着些特殊的方向为不同的切型，意味着 可以通过晶体轴的旋转获得这些方向可以通过晶体轴的旋转获得这些方向 和以一种特殊的方式来切割晶体。常和以一种特殊的方式

31、来切割晶体。常 用的切型有用的切型有AT，SC和和ST等。等。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例石英晶体几何切型的分类：石英晶体几何切型的分类：石英晶体在石英晶体在xyz直角坐标系中的方位可分为两大直角坐标系中的方位可分为两大切族：切族：X切族和切族和Y切族（以厚度取向为切型）。切族（以厚度取向为切型）。（1）X切族：是以厚度方向平行于晶体切族：是以厚度方向平行于晶体X轴，长轴，长度方向平行于度方向平行于Y轴，宽度方向同等于轴，宽度方向同等于Z轴这一原轴这一原始位置旋出来的各种不同的几何切型。如图始位置旋出来的各种不同的几何切型。如图（a）。）。（2）

32、Y切族：这是以厚度方向平行于晶体的切族：这是以厚度方向平行于晶体的Y轴，轴，长度方向平行于长度方向平行于X轴，宽度方向平行于轴，宽度方向平行于Z轴这一轴这一原始位置旋转出来的各种几何切型。如图（原始位置旋转出来的各种几何切型。如图（b）。）。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例石英晶体几何切型的表示方法：石英晶体几何切型的表示方法：每一种切型的石英晶片用一组字母：每一种切型的石英晶片用一组字母：x,y,z,t,l,w和角度和角度r来来表示。任何一个切割方位都可以通过一个起始方位旋转表示。任何一个切割方位都可以通过一个起始方位旋转得到。第一个字母表示起始方

33、位厚度的方向，其次个字得到。第一个字母表示起始方位厚度的方向，其次个字母表示起始方位长度的方向，如母表示起始方位长度的方向，如X切族以切族以XY表示；表示；Y切族切族以以YX表示。用字母表示。用字母t（厚度）、（厚度）、l（长度）、（长度）、w（宽度）来（宽度）来表示起始面转动时围绕的旋转轴。表示起始面转动时围绕的旋转轴。单转角切型后面的角度表示绕以第三个字母代表的轴向单转角切型后面的角度表示绕以第三个字母代表的轴向旋转的角度。双转角切型的其次个角度表示绕以第四个旋转的角度。双转角切型的其次个角度表示绕以第四个字母代表的轴向旋转的角度。角度为正时表示晶片绕轴字母代表的轴向旋转的角度。角度为正时

34、表示晶片绕轴作逆时针旋转，角度为负时表示顺时针旋转。其方向规作逆时针旋转，角度为负时表示顺时针旋转。其方向规定从定从x(或或y)轴的正端看，若轴的正端看，若r角绕角绕x(或或y)轴逆时针旋转，轴逆时针旋转，取正值；顺时针旋转，取负值。取正值；顺时针旋转，取负值。下页下页上页上页返回返回XYZOqfX6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例石英晶体几何切型的表示方法：石英晶体几何切型的表示方法：例：例：(yxl)+3515(yxl)+3515 即（即（ATAT）切型，表示晶片的厚度方向与）切型，表示晶片的厚度方向与Y Y轴平行，轴平行，长度方向与长度方向与X X轴平行，并在轴平行，并

35、在yxyx的原始位置上绕其长度的原始位置上绕其长度l l逆时针旋转逆时针旋转35153515的切割。的切割。例：例：(xytl)+5/(-50)(xytl)+5/(-50)切型切型,表示晶片的厚度方向与表示晶片的厚度方向与X X轴平行，长轴平行，长度方向与度方向与Y Y轴平行，并且在轴平行，并且在XYXY原始位置上，先绕厚度原始位置上，先绕厚度T T逆时针转逆时针转55，再绕长度再绕长度l l顺时针转顺时针转5050的切割。的切割。下页下页上页上页返回返回AT切型6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式测力传感器压电式测力传感器：压电式测力传感器是利用压电元件干脆实现力压电式

36、测力传感器是利用压电元件干脆实现力电转换电转换的传感器，在拉、压场合，通常接受双片或多片石英晶的传感器，在拉、压场合，通常接受双片或多片石英晶体作压电元件。如压电式三向动态测力仪用于测试动态体作压电元件。如压电式三向动态测力仪用于测试动态切削力。切削力。还可以利用其它弹性材料做的敏感元件来测量力。即通还可以利用其它弹性材料做的敏感元件来测量力。即通过弹性膜、盒等，把压力收集转换成力，再传递给压电过弹性膜、盒等，把压力收集转换成力，再传递给压电元件。元件。在结构设计中，必需留意：在结构设计中，必需留意：（1）确保弹性膜片与后接传力件间有良好的面接触，）确保弹性膜片与后接传力件间有良好的面接触，否

37、则，接触不良会造成滞后或线性恶化，影响静、动态否则，接触不良会造成滞后或线性恶化，影响静、动态特性。特性。（2）传感器基体和壳体要有足够的刚度，以保证被测）传感器基体和壳体要有足够的刚度，以保证被测压力尽可能传递到压电元件上。压力尽可能传递到压电元件上。（3）压电元件的振动模式选择要考虑到频率覆盖：弯）压电元件的振动模式选择要考虑到频率覆盖：弯曲；压缩；剪切。曲；压缩；剪切。（4）涉及传力的元件，尽可能接受高音速材料和扁薄）涉及传力的元件，尽可能接受高音速材料和扁薄结构，以利快速、无损地传递弹性元件的弹性波，提高结构，以利快速、无损地传递弹性元件的弹性波，提高动态性能。动态性能。（5）考虑加速

38、度，温度等环境干扰的补偿。）考虑加速度，温度等环境干扰的补偿。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式测力传感器压电式测力传感器：1.单向力传感器单向力传感器(1)仅用来测量单向的压力，如机床动态切削力的仅用来测量单向的压力，如机床动态切削力的 测量。压电元件接受测量。压电元件接受xy(即即x0)切型石英晶体，切型石英晶体，利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用 两块晶片两块晶片(8mm1mm)作传感元件，被测力通作传感元件，被测力通 过传力上盖过传力上盖l使石英晶片使石英晶片2沿电轴方向受压力作沿电轴方向受压

39、力作 用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向 上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由电极负电荷由电极3输出，压电晶片正电荷一侧与输出，压电晶片正电荷一侧与 底座连接。底座连接。下页下页上页上页返回返回压电式力传感器压电式力传感器1.传力上盖；传力上盖；2.石英晶片；石英晶片；3.电极；电极；4.底座；底座；5.电极引电极引出头；出头；6.绝缘材料绝缘材料6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式测力传感器压电式测力传感器：1.单向力传感器单向力传感器(2)两片并联可提高其灵敏度。压力元件

40、弹两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹 性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力 大小确定。这种结构的单向力传感器体大小确定。这种结构的单向力传感器体 积小、质量轻积小、质量轻(仅仅10 g)，固有频率高，固有频率高（约（约5060 kHz)，可检测高达，可检测高达5000 N 的动态力，辨别率为的动态力，辨别率为10-3N。下页下页上页上页返回返回压电式力传感器压电式力传感器1.传力上盖；传力上盖；2.石英晶片；石英晶片；3.电极；电极；4.底座；底座；5.电极引电极引出头；出头；6.绝缘材料绝缘材料6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式测力传感

41、器压电式测力传感器：2.双向力传感器双向力传感器(1)双向力传感器基本用于测量垂直分力双向力传感器基本用于测量垂直分力Fx与切向与切向分力分力Fy，以及测量相互垂直的两个切向分力，以及测量相互垂直的两个切向分力，即即Fx和和Fy。无论哪一种测量，传感器的结构形。无论哪一种测量，传感器的结构形式相像。式相像。图所示为双向压电石英晶片的力传图所示为双向压电石英晶片的力传 感器结构，两组石英晶片分别测量感器结构，两组石英晶片分别测量 两个分力，下面一组接受两个分力，下面一组接受xy(x0)切型，通过切型，通过dll实现力实现力-电转换，测电转换，测 量轴向力量轴向力Fx；下页下页上页上页返回返回双向

42、压电式力传感器双向压电式力传感器（a）双向力传感器；）双向力传感器；（b）yx切型示意图切型示意图6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电式测力传感器压电式测力传感器：2.双向力传感器双向力传感器(2)上面一组接受上面一组接受yx(y0)切型，晶片的厚度方向为切型，晶片的厚度方向为y轴方向，在平行于轴方向，在平行于x轴的剪切应力轴的剪切应力6 (在在xy平面内平面内)的作用下，产生厚的作用下，产生厚 度剪切变形。所谓厚度剪切变形度剪切变形。所谓厚度剪切变形 是指晶体受剪切应力的面与产生是指晶体受剪切应力的面与产生 电荷的面不共面，如图电荷的面不共面，如图(b)所示。所示。这一组

43、石英晶体通过这一组石英晶体通过d26实现力实现力-电转换来测量电转换来测量Fy。下页下页上页上页返回返回双向压电式力传感器双向压电式力传感器（a）双向力传感器；）双向力传感器；（b）yx切型示意图切型示意图6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例 举例：测加速度举例：测加速度(1).当传感器感受振动时，质量块感受惯性力的作用。当传感器感受振动时，质量块感受惯性力的作用。质量块有一正比于加速度的交变力作用在压电片质量块有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，变电

44、荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。电荷量干脆反映加速即与试件的加速度成正比。电荷量干脆反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。质量有关。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用一般的测量仪器测出试件的加速度，器后就可以用一般的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。试件的振动

45、速度或位移。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例 下页下页上页上页返回返回举例：测加速度举例：测加速度(2).为了提高传感器灵敏度，为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大一般选择压电系数大的压电陶瓷片。的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量方振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量方法来提高传感器灵敏度。此外还可以用增法来提高传感器灵敏度。此外还可以用增 加压电片数目和接受合理的加压电片数目和接受合理的 连接方法也可提高传感器灵连接方法也可提高传感器灵

46、敏度。敏度。6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：有压缩型、剪切型和复合型。有压缩型、剪切型和复合型。压缩型：压缩型：（1）正装中心压缩式：正装中心压缩式如）正装中心压缩式：正装中心压缩式如图。结构特点：质量快和弹性元件通过中心螺图。结构特点：质量快和弹性元件通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，壳体仅起防栓固紧在基座上形成独立的体系，壳体仅起防护和屏蔽作用。护和屏蔽作用。具有灵敏度高、性能稳定，频具有灵敏度高、性能稳定，频响好，工作牢靠等优点。但基座的机械和热变响好，工作牢靠等优点。但基座的机械和热变仍有影响。仍有影响。下页

47、下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：（2）压缩型的改进型。压缩型的改进型。图图(b)为改进型的隔离基座压缩式，图为改进型的隔离基座压缩式，图(c)为改进型的为改进型的倒装中心压缩式，这两种结构都可以避开基座变形影响。倒装中心压缩式，这两种结构都可以避开基座变形影响。图图(d)为双筒双屏蔽的新颖为双筒双屏蔽的新颖结构，除了外壳起屏蔽结构，除了外壳起屏蔽作用外，预载套筒也起内屏蔽作用。预载套筒横向刚度作用外，预载套筒也起内屏蔽作用。预载套筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰实力。大，大大提高了传

48、感器的综合刚度和横向抗干扰实力。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：2.剪切型：剪切型压电式加速度传感器，是利用剪切型：剪切型压电式加速度传感器，是利用压电片受剪切应力而产生压电效应的原理制成的，压电片受剪切应力而产生压电效应的原理制成的，这类传感器的压电片多接受压电陶瓷。按压电片这类传感器的压电片多接受压电陶瓷。按压电片的结构形式不同，又可分为柱形剪切型、三角剪的结构形式不同，又可分为柱形剪切型、三角剪切型、切型、H剪切型等，其结构如图所示。剪切型等，其结构如图所示。下页下页上页上页返回返回6.6 压

49、电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：（1）中空圆柱形如图）中空圆柱形如图。结构简洁、灵活，灵敏。结构简洁、灵活，灵敏度高。度高。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：（2）H形结构如图。左右压电元件通过横螺栓形结构如图。左右压电元件通过横螺栓固紧在中心立柱上，具有更好的静态特性，更高固紧在中心立柱上，具有更好的静态特性，更高的信噪比和宽的凹凸频特性，装配便利。的信噪比和宽的凹凸频特性，装配便利。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例

50、压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：（3）三角结构如图。三块压电片和扇形质量块呈三角空间）三角结构如图。三块压电片和扇形质量块呈三角空间分布，由预紧筒固紧在三角中心柱上，取消胶结，改善分布，由预紧筒固紧在三角中心柱上，取消胶结，改善了线性和温度特性。了线性和温度特性。下页下页上页上页返回返回6.6 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例压电加速度传感器结构形式：压电加速度传感器结构形式：3.复合型。泛指那些具有组合结构、差动原理、合一体化复合型。泛指那些具有组合结构、差动原理、合一体化或复合材料的压电传感器。或复合材料的压电传感器。(1)多晶片压电加