壓電式傳感器精講

1、第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)（石英和壓電陶瓷）壓電效應(yīng)（石英和壓電陶瓷） 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 信號(hào)調(diào)解電路信號(hào)調(diào)解電路 應(yīng)用應(yīng)用 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 某些晶體，在某些晶體，在一定方向一定方向受到受到外力外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)引起它作用而產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)引起它內(nèi)部?jī)?nèi)部的的正負(fù)正負(fù) 電荷電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化極化，導(dǎo)致在晶體的，導(dǎo)致在晶體的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào)相反兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的的 電荷；電荷； 當(dāng)當(dāng)外力去掉外力去掉后，又重新后，又重新恢復(fù)不帶電恢復(fù)不帶電狀態(tài)；狀態(tài)； 當(dāng)作用當(dāng)作用力方向改變力方向改變，

2、電荷的，電荷的極性極性也隨之也隨之改變改變，這種現(xiàn)象為，這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電半導(dǎo)體等。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電半導(dǎo)體等。 壓電效應(yīng)分：壓電效應(yīng)分：正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)和和逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 l電勢(shì)型傳感器電勢(shì)型傳感器 以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ) l壓電效應(yīng)可逆壓電效應(yīng)可逆 “雙向傳感器雙向傳感器” 加力加力 變形變形 產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷 1. 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 某些晶體（電介質(zhì)）受到某些晶體（電介質(zhì)）受到一定方向上一定方向上的機(jī)械的機(jī)械外力外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生作用時(shí)，其

3、內(nèi)部產(chǎn)生極化極化 現(xiàn)象（類(lèi)似于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的現(xiàn)象（類(lèi)似于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的兩個(gè)表面上兩個(gè)表面上產(chǎn)生產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷符號(hào)相反的電荷 （或產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)）。當(dāng)外（或產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)）。當(dāng)外力去掉后力去掉后，又重新，又重新恢復(fù)恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。 機(jī)械能機(jī)械能電能電能 機(jī)械能機(jī)械能電能電能 在壓電材料的在壓電材料的兩個(gè)電極面兩個(gè)電極面上，如果加以上，如果加以交流電壓交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械 振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮伸縮的

4、現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“電致伸縮效電致伸縮效 應(yīng)應(yīng)”，也叫做，也叫做“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。（。（施加電場(chǎng)施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力應(yīng)力） 常見(jiàn)的壓電材料由石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。常見(jiàn)的壓電材料由石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。 壓電式傳感器又叫雙向傳感器壓電式傳感器又叫雙向傳感器 2. 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 機(jī)機(jī) 械械 能能 電電 能能 壓電元件壓電元件 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 自然界許多晶體具有自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦

5、酸 鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。 壓電材料可以分為兩類(lèi)：壓電材料可以分為兩類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷壓電晶體、壓電陶瓷。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體石英晶體 石英晶體石英晶體 云母晶體云母晶體食鹽晶體食鹽晶體 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 （晶振）（晶振）石英晶體石英晶體 石英晶體有三個(gè)晶軸：石英晶體有三個(gè)晶軸： X軸軸電軸電軸或或1軸軸，通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)，通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè) 棱線，并垂直于光軸；棱線，并垂直于光軸； Y軸軸機(jī)械軸機(jī)械軸或或2軸軸，垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶，垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶 柱棱面；柱棱面； Z軸軸光軸光軸或或3軸

6、軸，與晶體的縱軸線方向一，與晶體的縱軸線方向一 致致（與（與x，y軸垂直）軸垂直） 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)沿電軸（沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷；軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷； 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)沿機(jī)械軸（沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷；軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷； 在在光軸光軸（Z軸）方向施加力時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸）方向施加力時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 沿沿X（電軸）（電軸）對(duì)晶片施加力對(duì)晶片施加力

7、FX時(shí)，在時(shí)，在垂直于垂直于X軸軸的表面產(chǎn)生電荷的表面產(chǎn)生電荷 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng) 當(dāng)當(dāng)FX0時(shí)（時(shí)（拉力拉力），在），在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)負(fù)負(fù)電；電； 當(dāng)當(dāng)FX0時(shí)（時(shí)（拉力拉力），與），與FX0時(shí)的情況類(lèi)似，在時(shí)的情況類(lèi)似，在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)正正電；電； 當(dāng)當(dāng)FY0時(shí)的情況類(lèi)似，在時(shí)的情況類(lèi)似，在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)負(fù)負(fù)電；電； 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 沿沿Z（光軸）（光軸）對(duì)晶片施加力對(duì)晶片施加力FZ時(shí)，無(wú)壓電效應(yīng)。時(shí)，無(wú)壓電效應(yīng)。 由于正負(fù)離子位置保持不變，由于正負(fù)離子位置保持不

8、變， ，所以不產(chǎn)生任何方向上的壓電效，所以不產(chǎn)生任何方向上的壓電效 應(yīng)。應(yīng)。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 晶片電荷極性與受力方向關(guān)系晶片電荷極性與受力方向關(guān)系 （a）（b） （c） （d） 圖（圖（a）：在）：在X軸方向受壓力軸方向受壓力 圖（圖（b）：在）：在X軸方向受拉力軸方向受拉力 圖（圖（c）：在）：在Y軸方向受壓力軸方向受壓力 圖（圖（d）：在）：在Y軸方向受拉力軸方向受拉力 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng) 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng) 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小

9、分析電荷大小分析 （1）在）在X軸方向上，施加外力軸方向上，施加外力FX時(shí)，時(shí)， X軸表面產(chǎn)生的電荷量軸表面產(chǎn)生的電荷量 壓電系數(shù)，石英晶體壓電系數(shù)，石英晶體 =2.310-12C/N 分析：分析：作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生一定的極化強(qiáng)度。作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生一定的極化強(qiáng)度。 其極化強(qiáng)度：其極化強(qiáng)度：與應(yīng)力與應(yīng)力 大小有關(guān)大小有關(guān) 則：則： l、b石英晶片的長(zhǎng)度和寬度石英晶片的長(zhǎng)度和寬度 極化強(qiáng)度在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度極化強(qiáng)度在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 而極化強(qiáng)度而極化強(qiáng)度 所以，所以， 相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)，在相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)，在X軸方向上施加外電壓

10、，則晶體產(chǎn)生的形變?yōu)椋狠S方向上施加外電壓，則晶體產(chǎn)生的形變?yōu)椋?相對(duì)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)變 X軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度 （2）同理，在）同理，在Y軸方向上，施加外力軸方向上，施加外力FY時(shí)，時(shí)， X軸表面產(chǎn)生的電荷量軸表面產(chǎn)生的電荷量 分析：分析： 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析 而電荷密度而電荷密度 相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變 在在X軸方向上，加外電場(chǎng)軸方向上，加外電場(chǎng)UX 相對(duì)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)變 由上述可知：由上述可知： 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（

11、或應(yīng)變應(yīng)變）與電荷（或）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈）之間呈線線 性性關(guān)系；關(guān)系； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析 （1）縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：）縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷： X X軸施軸施力力，垂直于，垂直于X X軸平面上的軸平面上的電荷電荷； 壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。X X軸施加力，垂直于軸施加力，垂直于

12、X X軸平軸平 面上產(chǎn)生電荷面上產(chǎn)生電荷； 沿沿X X方向施加方向施加力力； 當(dāng)晶片受當(dāng)晶片受X向的壓力向的壓力時(shí)，時(shí)， 與作用力與作用力 成成正比正比，與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；，與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)； 若若 改為改為拉力拉力時(shí)，在垂直于時(shí)，在垂直于X軸的平面上出現(xiàn)軸的平面上出現(xiàn)等量電荷等量電荷，但，但極性相反極性相反。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析 （2）橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：）橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷： 當(dāng)晶片受當(dāng)晶片受Y向的壓力向的壓力時(shí)，時(shí)， 與作用力與作用力 成成正比正比，且且與晶片的與晶片的幾何尺寸幾

13、何尺寸有關(guān)；有關(guān)；XY q Y F Y Y軸施軸施力力，垂直于，垂直于X X軸平面上的軸平面上的電荷電荷； 壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。Y Y軸施加力，垂直于軸施加力，垂直于X X軸軸 平面上產(chǎn)生電荷平面上產(chǎn)生電荷； 沿沿Y Y方向施加方向施加力力； 晶片電荷極性與受力方向關(guān)系晶片電荷極性與受力方向關(guān)系 壓壓 壓壓 拉拉 拉拉 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 3. 石英晶體石英晶體 一種天然晶體，壓電系數(shù)一種天然晶體，壓電系數(shù) ； 莫氏硬度為莫氏硬度為7，熔點(diǎn)為，熔點(diǎn)為1750，膨脹系數(shù)僅為鋼的，膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好，固有頻

14、率高、動(dòng)態(tài)特轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好，固有頻率高、動(dòng)態(tài)特 性好、工作溫度高達(dá)性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá) 100%、穩(wěn)定性好。、穩(wěn)定性好。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 4. 壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析 屬于鐵電體一類(lèi)物質(zhì)，是人工制造的多晶體材料。屬于鐵電體一類(lèi)物質(zhì)，是人工制造的多晶體材料。 具有類(lèi)似鐵磁體材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，即電疇特性。具有類(lèi)似鐵磁體材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，即電疇特性。 （1）電疇特性）電疇特性 指材料分子，自發(fā)形成指材料分子，自發(fā)形成分

15、子團(tuán)分子團(tuán)。 材料內(nèi)部有許多自發(fā)極化的材料內(nèi)部有許多自發(fā)極化的電疇電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。 但在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，分子團(tuán)（電疇）在晶體中雜亂無(wú)規(guī)則排列，它們各自的極但在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，分子團(tuán)（電疇）在晶體中雜亂無(wú)規(guī)則排列，它們各自的極 化效應(yīng)被相互抵消，所以壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，晶體呈化效應(yīng)被相互抵消，所以壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，晶體呈中性中性。（。（不具有壓電效不具有壓電效 應(yīng)應(yīng)） （2）極化過(guò)程）極化過(guò)程 極化處理極化處理在陶瓷上施加在陶瓷上施加外電場(chǎng)，外電場(chǎng)，使電疇（分子團(tuán)）趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排使電疇（分子團(tuán)）趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排

16、列，從而使材料得到極化（如圖列，從而使材料得到極化（如圖b）。）。 外電場(chǎng)去除后，其內(nèi)部電疇基本保持不變，留下了很強(qiáng)的外電場(chǎng)去除后，其內(nèi)部電疇基本保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度，剩余極，剩余極 化強(qiáng)度如圖化強(qiáng)度如圖c。 壓電陶瓷經(jīng)過(guò)極化處理后，具有一定的壓電陶瓷經(jīng)過(guò)極化處理后，具有一定的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 （3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上 吸附的自由電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖 極化方向極化方向 - - - - - - - 自由電荷自由電荷 束縛電荷束縛電荷 電極電極 電極電極 - - - - - - - 剩余極化強(qiáng)度剩余極化

17、強(qiáng)度會(huì)在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電會(huì)在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電 荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。 由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面 上上吸附吸附了一層來(lái)自外界的了一層來(lái)自外界的自由電荷自由電荷。 這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)符號(hào) 相反而數(shù)量相等相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi) 極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。 在未受外力作用下在未受外力作用下 （3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析 在外加與極化方向平行的壓力時(shí)在外加與極化方向平行的壓力時(shí) 如果在陶瓷片上加一個(gè)如果在

18、陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變壓縮形變。 片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。 因此，原來(lái)吸附在電極上的因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷自由電荷，有一部，有一部 分被分被釋放釋放，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。 當(dāng)壓力當(dāng)壓力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、，片內(nèi)的正、 負(fù)電荷間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電負(fù)電荷間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電 極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 正壓電效應(yīng)正

19、壓電效應(yīng) F - - - - - - - - - - - - - - 極化方向極化方向 正壓電效應(yīng)示意圖正壓電效應(yīng)示意圖 機(jī)械能機(jī)械能電能電能 施加壓力，陶瓷片施加壓力，陶瓷片壓縮形壓縮形 變變。 正、負(fù)電荷間的正、負(fù)電荷間的距離變小距離變小， 極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。釋放釋放部分部分 自由電荷自由電荷放電放電 壓力壓力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢復(fù)恢復(fù) 原狀原狀，極化強(qiáng)度也變大，極化強(qiáng)度也變大， 電極上又吸附部分自由電電極上又吸附部分自由電 荷荷充電充電 （3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析 外加與極化方向平行的壓力時(shí)外加與極化方向平行的壓力時(shí) 機(jī)械能機(jī)械能電能電能 （3）壓電效應(yīng)分析）壓電

20、效應(yīng)分析 外加與極化方向相同外加與極化方向相同/相反的電場(chǎng)相反的電場(chǎng) 如果在陶瓷片上加一個(gè)與如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度化強(qiáng)度 增大增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離也增大距離也增大，即陶瓷片沿，即陶瓷片沿 極化方向產(chǎn)生極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)形變。形變。 同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極 化方向化方向相反相反，則陶瓷片沿極化方向，則陶瓷片沿極化方向 產(chǎn)生產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)示意圖 電場(chǎng)方向電場(chǎng)方向 極化

21、方向極化方向 - - - - - - - - - - - - - - 電能電能機(jī)械能機(jī)械能 若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化極化 方向相同方向相同，則陶瓷片，則陶瓷片 沿極化方向產(chǎn)生沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng) 形變。形變。 若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化方極化方 向相反向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極 化方向產(chǎn)生化方向產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) （3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析 外加與極化方向相同外加與極化方向相同/相反的電場(chǎng)相反的電場(chǎng) 電能電能機(jī)械能機(jī)械能 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 4. 壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析 常見(jiàn)的壓電陶瓷常見(jiàn)

22、的壓電陶瓷 （1）鈦酸鋇（）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。 （2）鋯鈦酸鉛）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛 的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。材料。 （3）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至具有較高的壓電系數(shù)，

23、在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的 力傳感器。力傳感器。 7.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 5. 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式 并聯(lián)方法并聯(lián)方法：兩片壓電晶片的：兩片壓電晶片的負(fù)電荷負(fù)電荷集中在集中在中間電極上中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電，正電荷集中在兩側(cè)的電 極上，傳感器的極上，傳感器的電容量大電容量大、輸出電荷量大輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用，故這種傳感器適用 于于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。 ( (a a) )并聯(lián)并聯(lián) + + + + + + + +

24、+ + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + - - U 串聯(lián)方法：串聯(lián)方法：正電荷正電荷集中于上集中于上極板極板，負(fù)電荷負(fù)電荷集中于集中于下極板下極板，傳感器本身的，傳感器本身的電容量電容量 小、響應(yīng)快、輸出電壓大小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)以電壓作輸出的信號(hào)和頻和頻 率較高的信號(hào)。率較高的信號(hào)。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + -

25、- U 7.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 5. 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式 7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 （1）等效原理）等效原理 壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產(chǎn)生壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產(chǎn)生 正負(fù)極性的電荷，因此可以看出一個(gè)靜電發(fā)正負(fù)極性的電荷，因此可以看出一個(gè)靜電發(fā) 生器，其類(lèi)似一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電生器，其類(lèi)似一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電 容器容器Ca。 當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，極板之間的電壓當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，極板之間的電壓 大小為：大小為： 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 7.2 壓電傳感器的等效電路壓電

26、傳感器的等效電路 （2）等效電路）等效電路 （a）電荷等效電路）電荷等效電路（b）電壓等效電路）電壓等效電路 （a）等效電荷源）等效電荷源q （b）等效電壓源）等效電壓源Ua 特點(diǎn)：壓電晶體不適合靜態(tài)測(cè)量特點(diǎn)：壓電晶體不適合靜態(tài)測(cè)量 傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力 后產(chǎn)生的電壓或電荷才能后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存長(zhǎng)期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放放 電電。 這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶

27、來(lái)誤差誤差。 事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄露，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄露，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有 外力以外力以較高頻率較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。 因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻 率相同；率相同； 當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電表面漏電而很快泄漏、消失。而很快泄漏、消失。 7.2 壓電傳感器

28、的等效電路壓電傳感器的等效電路 （3）實(shí)際應(yīng)用中，壓電傳感器的完整等效電路）實(shí)際應(yīng)用中，壓電傳感器的完整等效電路 完整電荷源等效電路完整電荷源等效電路 完整電壓源等效電路完整電壓源等效電路 Ca：傳感器的固有電容：傳感器的固有電容 Ci：前置放大器輸入電容：前置放大器輸入電容 Cc：連線電容：連線電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Ri：前置放大器輸入電阻：前置放大器輸入電阻 由于壓電式傳感器的由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱輸出電信號(hào)很微弱，不能直接顯示和記錄；，不能直接顯示和記錄； 通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中

29、，經(jīng)過(guò)中，經(jīng)過(guò)阻抗交換阻抗交換以后，以后， 方可用一般的方可用一般的放大檢波電路放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中；再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中； 測(cè)量電路的測(cè)量電路的關(guān)鍵關(guān)鍵在于在于高阻抗輸入的前置放大器高阻抗輸入的前置放大器； 壓電式傳感器要求測(cè)量電路的壓電式傳感器要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高輸入阻抗很高，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差；，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差； 前置放大器前置放大器兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗輸出阻抗變換成低阻抗輸出變換成低阻抗輸出 放大放大壓電式傳感器壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)輸出的微弱信號(hào) 7.2 壓電傳感器的等效

30、電路壓電傳感器的等效電路 （4）測(cè)量電路）測(cè)量電路 7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 （4）測(cè)量電路）測(cè)量電路 前置放大器形式：前置放大器形式： 電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比； 電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。 a、電壓放大器、電壓放大器 7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 （4）測(cè)量電路）測(cè)量電路 圖中，等效電阻圖中，等效電阻R為為等效電容為等效電容為 外力作用時(shí)外力作用時(shí)力的幅值力的幅值 根據(jù)壓電效應(yīng)：根據(jù)壓電效應(yīng)： 則：則

31、： 放大器輸入端的電壓放大器輸入端的電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為 當(dāng)當(dāng) ，上式簡(jiǎn)化為：，上式簡(jiǎn)化為： 其幅值：其幅值： 結(jié)論：結(jié)論： 放大器的輸入放大器的輸入U(xiǎn)im與與F的頻率無(wú)關(guān)，因此具有較好的高頻響應(yīng)特性；的頻率無(wú)關(guān)，因此具有較好的高頻響應(yīng)特性； 改變壓電傳感器的引線電纜長(zhǎng)度，其電纜電容的變化將引起放大器輸入信改變壓電傳感器的引線電纜長(zhǎng)度，其電纜電容的變化將引起放大器輸入信 號(hào)號(hào)Uim的變化。因此在測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度固定（的變化。因此在測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度固定（Cc=常數(shù)）。常數(shù)）。 電壓靈敏度，電壓靈敏度， 即，靈敏度與電路電容大小成反比關(guān)系。所以一般要求放大器的內(nèi)阻即，靈敏度與電

32、路電容大小成反比關(guān)系。所以一般要求放大器的內(nèi)阻Ri增大增大 （電容（電容C降低）。降低）。 Ca：傳感器的固有電容：傳感器的固有電容 Ci：前置放大器輸入電容：前置放大器輸入電容 Cc：連線電容：連線電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Ri：前置放大器輸入電阻：前置放大器輸入電阻 0r a SS C tt sin m Qd Fd Ft ()1 a R CC 11 i aica Ud Fd F CCCCC m im ica d F U CCC im mica Ud K FCCC 1211XYYY ll qdFdF tt 1212 Y XYXY F Pdd bt 11 XXX qF d l

33、blb 1111 X X Ut dd E tt 1211 dd XY XY q P lb 1111 X X Ul dd E lt 12 11 2.31 10/dC N 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.1 石英晶體石英晶體 根據(jù)石英晶體的對(duì)稱(chēng)條件根據(jù)石英晶體的對(duì)稱(chēng)條件 ，有，有XXXY dd XYXXY a qdF b 壓壓壓壓拉拉拉拉 XYXXY a qdF b 壓壓 壓壓 拉拉 拉拉 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料多晶體壓電材料； 材料內(nèi)部的晶粒有許多材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇自發(fā)極化的電疇，它有一定的

34、極化方向，從而存，它有一定的極化方向，從而存 在電場(chǎng)；在電場(chǎng)； （電疇電疇具有自發(fā)極化的晶體中存在一些具有自發(fā)極化的晶體中存在一些自發(fā)極化取向一致自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域的微小區(qū)域） 在在無(wú)外電場(chǎng)無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相相 互抵消互抵消，壓電陶瓷內(nèi)，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有不具有 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 電極化電極化當(dāng)給電介質(zhì)施加一個(gè)當(dāng)給電介質(zhì)施加一個(gè)電場(chǎng)電場(chǎng) 時(shí)，由于電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷的相對(duì)時(shí)，由于電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷的相對(duì) 位移，會(huì)產(chǎn)生位

35、移，會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷等量異號(hào)的電荷 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 極化處理極化處理在陶瓷上施加在陶瓷上施加強(qiáng)外電場(chǎng)強(qiáng)外電場(chǎng)，使電疇，使電疇趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排 列列，使材料得到極化，此時(shí)壓電陶瓷就，使材料得到極化，此時(shí)壓電陶瓷就具有壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)。 在極化電場(chǎng)去除后，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本保持不變電疇基本保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。，留下了很強(qiáng)的剩余極化。 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上 吸附的自由電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖 極化方向極化方向 - -

36、 - - - - - 自由電荷自由電荷 束縛電荷束縛電荷 電極電極 電極電極 - - - - - - - 陶瓷片內(nèi)的陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度總是以總是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一 端出現(xiàn)端出現(xiàn)正束縛電荷正束縛電荷，另一端出現(xiàn)，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷負(fù)束縛電荷。 由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的 電極面上電極面上吸附吸附了一層來(lái)自外界的了一層來(lái)自外界的自由自由 電荷電荷。 這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電 荷荷符號(hào)相反而數(shù)量相等符號(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵，它屏蔽和抵 消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外

37、界的作用。消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 如果在陶瓷片上加一個(gè)如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形壓縮形 變變。 片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。 因此，原來(lái)吸附在電極上的因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷自由電荷，有，有 一部分被一部分被釋放釋放，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。 當(dāng)壓力當(dāng)壓力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)，極化強(qiáng) 度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電度也變大，因此電極

38、上又吸附一部分自由電 荷而出現(xiàn)荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 施加壓力，陶瓷片施加壓力，陶瓷片壓縮形壓縮形 變變。 正、負(fù)電荷間的正、負(fù)電荷間的距離變小距離變小， 極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。釋放釋放部分部分 自由電荷自由電荷放電放電 壓力壓力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢復(fù)恢復(fù) 原狀原狀，極化強(qiáng)度也變大，極化強(qiáng)度也變大， 電極上又吸附部分自由電電極上又吸附部分自由電 荷荷充電充電 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷如果在陶瓷片上加一個(gè)與如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)極化

39、方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度化強(qiáng)度 增大增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離也增大距離也增大，即陶瓷片沿極化方，即陶瓷片沿極化方 向產(chǎn)生向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)形變。形變。 同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極 化方向化方向相反相反，則陶瓷片沿極化方向，則陶瓷片沿極化方向 產(chǎn)生產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化極化 方向相同方向相同，則陶瓷片，則陶瓷片 沿極化方向產(chǎn)生沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng) 形變。形變。 若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與

40、極化方極化方 向相反向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極 化方向產(chǎn)生化方向產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 電場(chǎng)與極化方向相同電場(chǎng)與極化方向相同電場(chǎng)與極化方向相電場(chǎng)與極化方向相反反 壓電陶瓷之所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在壓電陶瓷之所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化自發(fā)極化，這些，這些 自發(fā)極化經(jīng)過(guò)自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化處理極化處理后，被迫按一定方向排列，且陶瓷內(nèi)存在后，被迫按一定方向排列，且陶瓷內(nèi)存在剩余極化剩余極化 強(qiáng)度強(qiáng)度。 若外界的作用（若外界的作用（如壓力或電場(chǎng)如壓力或電場(chǎng)）能使此）能使此極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度發(fā)

41、生改變，陶瓷就出現(xiàn)發(fā)生改變，陶瓷就出現(xiàn) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 6.3 壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu) 6.3.2 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 類(lèi)似于類(lèi)似于一個(gè)一個(gè)靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器或或一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器電容器Ca 當(dāng)兩極板有當(dāng)兩極板有異性電荷異性電荷q時(shí)，極板間的電壓時(shí)，極板間的電壓 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等

42、效電路壓電式傳感器的等效電路 （1）電荷等效電路）電荷等效電路 視為電荷輸出視為電荷輸出：等效為：等效為電荷源電荷源Q和和電容電容Ca并聯(lián)，開(kāi)路狀態(tài)并聯(lián)，開(kāi)路狀態(tài) 輸出端電荷輸出端電荷為為 把壓電式傳感器看成一個(gè)電荷源與電容并聯(lián)的把壓電式傳感器看成一個(gè)電荷源與電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 （1）電壓等效電路）電壓等效電路 視為電壓輸出：視為電壓輸出：等效為等效為電壓源電壓源U和和電容電容Ca串串聯(lián)，開(kāi)路狀態(tài)聯(lián)，開(kāi)路狀態(tài) 輸出端電壓輸出端電壓為為 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器

43、測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接；與測(cè)量?jī)x器相連接； 壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路電壓等效電路和和電荷電荷 等效電路等效電路。這兩種等效電路是完全等效的。這兩種等效電路是完全等效的。 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 由于壓電式傳感器的由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱輸出電信號(hào)很微弱，不能直接顯示和記錄；，不能直接顯示和記錄； 通常先把傳感器

44、信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經(jīng)過(guò)中，經(jīng)過(guò)阻抗交換阻抗交換以后，以后， 方可用一般的方可用一般的放大檢波電路放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中；再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中； 測(cè)量電路的測(cè)量電路的關(guān)鍵關(guān)鍵在于在于高阻抗輸入的前置放大器高阻抗輸入的前置放大器； 壓電式傳感器要求測(cè)量電路的壓電式傳感器要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高輸入阻抗很高，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差；，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差； 前置放大器前置放大器兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗輸出阻抗變換成低阻抗輸出變換成低阻抗輸出 放

45、大放大壓電式傳感器壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)輸出的微弱信號(hào) 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） 放大器電路放大器電路等效電路等效電路 電壓放大器的輸入端電壓放大器的輸入端，電容，電容C=Cc+Ci，電阻，電阻R=Ra/Ri，輸出端輸出端Ua=q/Ca， 若壓電傳感器受力若壓電傳感器受力 ，則壓電元件上的電壓為，則壓電元件上的電壓為 Ui Um-壓電元件輸出電壓幅值；壓電元件輸出電壓幅值； d壓電系數(shù)壓電系數(shù) 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2

46、壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） 放大器輸入端放大器輸入端形成的電壓為形成的電壓為 放大器輸入放大器輸入電壓的幅值為電壓的幅值為 理想情況下，輸入電壓幅值為理想情況下，輸入電壓幅值為 可以看出，前置放大器輸入電壓可以看出，前置放大器輸入電壓Uin大小與大小與被測(cè)頻率被測(cè)頻率無(wú)關(guān)；無(wú)關(guān)； 若若電纜長(zhǎng)度電纜長(zhǎng)度改變，改變，CC改變，改變，Uin隨之改變，所以壓電傳感器與前置放大器間的隨之改變，所以壓電傳感器與前置放大器間的 連接電纜連接電纜不能隨意更換，否則引入測(cè)量誤差不能隨意更換，否則引入測(cè)量誤差 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電

47、式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） 放大器輸入放大器輸入電壓的幅值為電壓的幅值為 一般在一般在t3時(shí)，就可以認(rèn)為時(shí)，就可以認(rèn)為Uin與與無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，t測(cè)量測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)，即，即 當(dāng)作用于壓電元件的力為當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力靜態(tài)力（=0）時(shí)，前置放大器的）時(shí)，前置放大器的輸入電壓為輸入電壓為0， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身而漏掉，所以壓電傳感器不能用因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身而漏掉，所以壓電傳感器不能用 于靜態(tài)力的測(cè)量于靜態(tài)力的測(cè)量 6.4 壓電式傳感器測(cè)

48、量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） 當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)， 電荷將由于電荷將由于表面漏電表面漏電而很快而很快 泄漏、消失。泄漏、消失。 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 2.電荷放大器電荷放大器 由一個(gè)由一個(gè)反饋電容反饋電容Cf 和和高增益運(yùn)算放大器高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成；構(gòu)成； 由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，所以由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，所以 U

49、o放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。 + Ca Q CcCiRi Cf Rf U0 傳感器傳感器 電纜電纜 放大器放大器 Ra A 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 2.電荷放大器電荷放大器 由運(yùn)算放大器特性，求得由運(yùn)算放大器特性，求得電荷放大器的電荷放大器的 輸出電壓輸出電壓 當(dāng)滿(mǎn)足當(dāng)滿(mǎn)足A1，而而（1+A）Cf Ca+CC+Ci 輸出電壓與輸入電荷量成正比；輸出電壓與輸入電荷量成正比； Uo只取決于輸入電荷和反饋電容只取決于輸入電荷和反饋電容Cf， 與電纜電容與電纜電容Cc無(wú)

50、關(guān)；無(wú)關(guān)； 6.5 壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn) 1.壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu) 基座和外殼基座和外殼通常很通常很厚厚、殼體取用與基座相同的材料；、殼體取用與基座相同的材料； 壓電元件壓電元件根據(jù)需要，取壓電晶體或壓電陶瓷。結(jié)構(gòu)形式多采用根據(jù)需要，取壓電晶體或壓電陶瓷。結(jié)構(gòu)形式多采用 雙晶片并聯(lián)雙晶片并聯(lián)形式；形式； 敏感元件敏感元件如，加速度傳感器：如，加速度傳感器：m-k-cm-k-c系統(tǒng)，系統(tǒng)， 預(yù)載件預(yù)載件如壓塊、彈簧或螺栓螺母等，如壓塊、彈簧或螺栓螺母等， 用于對(duì)壓電元件施加預(yù)緊力。用于對(duì)壓電元件施加預(yù)緊力。 引線及接插件引線及接插件，用

51、于與外接電纜連接，用于與外接電纜連接 加速度傳感器加速度傳感器 等效機(jī)械模型等效機(jī)械模型 6.5 壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn) 2.壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 當(dāng)當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，受質(zhì)量塊慣性力的作用， 根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即即 F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量；質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。加速度。 此時(shí)慣性力此時(shí)慣性力F F作用于

52、作用于壓電元件壓電元件上，因而產(chǎn)生上，因而產(chǎn)生電荷電荷 q q，當(dāng)傳感器選定后，當(dāng)傳感器選定后，mm為常數(shù)，為常數(shù)， 則則傳感器輸出傳感器輸出 電荷電荷為為 6.5 壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)壓電式傳感器基本結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn) 2.壓電式傳感器應(yīng)用壓電式傳感器應(yīng)用壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 當(dāng)當(dāng)膜片膜片受到壓力受到壓力F F作用后，在作用后，在壓電晶片壓電晶片表面產(chǎn)生電荷，在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電表面產(chǎn)生電荷，在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電 荷為荷為 引線引線 殼體殼體 基座基座 壓電晶片壓電晶片 受壓膜片受壓膜片 導(dǎo)電片導(dǎo)電片 壓電式壓力傳感器的輸出電荷壓電式壓力傳感器的輸出電荷q q與與輸

53、輸 入壓強(qiáng)入壓強(qiáng)P P成正比。成正比。 6.6 影響壓電式傳感器工作的主要因素影響壓電式傳感器工作的主要因素 （1）橫向靈敏度）橫向靈敏度 橫向靈敏度是衡量橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)橫向干擾效應(yīng)的指標(biāo)。的指標(biāo)。 一只理想的單軸壓電傳感器，應(yīng)該一只理想的單軸壓電傳感器，應(yīng)該僅敏感其軸向的作用力僅敏感其軸向的作用力，而對(duì)橫向作用力，而對(duì)橫向作用力 不敏感。不敏感。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：壓電片制造得作用面不平行，壓電片制造得作用面不平行， 粗糙，以及安裝不精確，使得力軸粗糙，以及安裝不精確，使得力軸Sm與與 電軸電軸SL（極化軸）不重合，二者成（極化軸）不重合，二者成 角。角。 6.6 影響壓電式傳感器工作的主要因素影響壓電式傳感器工作的主要因素 （2）環(huán)境溫度和濕度）環(huán)境溫度和濕度 環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響主要通過(guò)三個(gè)因素：環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響主要通過(guò)三個(gè)因素： 壓電材料的壓電材料的特性參數(shù)特性參數(shù)； 某些壓電材料的某些壓電材料的熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)（當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量（當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量 相等而符號(hào)相反的電荷。由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象相等而符號(hào)相反的電荷。由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) ）；）； 傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器結(jié)構(gòu)。 （3）安裝差異和基座應(yīng)變）安裝差異和基座應(yīng)變 （4）噪聲等）噪聲等 石英晶體有三個(gè)晶軸：石英晶