傳感器第章壓電式

1、第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是應(yīng)用正壓電效應(yīng)將非電量轉(zhuǎn)換成電量的一壓電式傳感器是應(yīng)用正壓電效應(yīng)將非電量轉(zhuǎn)換成電量的一 種傳感器。種傳感器。材料受力變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非材料受力變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非 電量測量。電量測量。 壓電式傳感器本身具有轉(zhuǎn)換能量，是一種典型的有源傳感器壓電式傳感器本身具有轉(zhuǎn)換能量，是一種典型的有源傳感器; ; 又稱為發(fā)電式傳感器。又稱為發(fā)電式傳感器。 壓電效應(yīng)具有正壓電、逆壓電兩種效應(yīng)，具有可逆性，是一壓電效應(yīng)具有正壓電、逆壓電兩種效應(yīng)，具有可逆性，是一 種典型的種典型的”雙向傳感器雙向傳感器”。 第第4 4章章 壓電式傳

2、感器壓電式傳感器 特點特點: : 工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕， 工作可靠。工作可靠。 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： 各種動態(tài)力、機械沖擊、振動測量、生物醫(yī)學、超聲、通各種動態(tài)力、機械沖擊、振動測量、生物醫(yī)學、超聲、通 信、宇航等領(lǐng)域。信、宇航等領(lǐng)域。 壓電加速度計 壓電陶瓷超聲換能器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 各種小巧的壓力傳感器各種小巧的壓力傳感器 壓電傳感器的外形壓電傳感器的外形 壓力變送器部件壓力變送器部件 壓力變送器壓力變送器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電警號壓電警號 壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位

3、移器 壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.1 4.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) n正正( (順順) )壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作 用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷， 當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn)當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn) 換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。 n逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當在電介質(zhì)極化方向施加電場時，電介質(zhì)在當在電介質(zhì)

4、極化方向施加電場時，電介質(zhì)在 一定方向上產(chǎn)生機械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機械應(yīng)力，這種將電一定方向上產(chǎn)生機械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機械應(yīng)力，這種將電 能轉(zhuǎn)換成機械能的現(xiàn)象稱能轉(zhuǎn)換成機械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”, ,又稱為電致伸縮又稱為電致伸縮 效應(yīng)。效應(yīng)。 F F F F 極化面極化面 Q Q 壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機械能機械能 電能電能 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件壓電元件 機械能 電能 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓 電 晶 片 按特定方向切片按特定方向切片 人工合成水晶人工合成水晶 第第4

5、 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.4. 1.1. 1 1 石石 英英 晶晶 體體 的的 壓壓 電電 效效 應(yīng)應(yīng) 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 n光軸（基準軸，光軸（基準軸，Z軸）軸）：光沿該方向通過沒有雙折射：光沿該方向通過沒有雙折射 現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學方法確定?，F(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學方法確定。 n機械軸（機械軸（Y軸）軸）：垂直：垂直xz面，在電場作用下，該軸面，在電場作用下，該軸 方向的機械變形最明顯。方向的機械變形最明顯。 n電軸（電軸（X軸）軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上 壓電效應(yīng)最強。壓電效應(yīng)最強。 第第

6、4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 沿x方向施加壓力時， 右旋石英的x軸正向帶 正電，左旋石英的x軸 正向帶負電 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 0 321 ppp 當石英晶體未受外力作用時當石英晶體未受外力作用時, , 正、負離子正、負離子 正好分布在正六邊形的頂角上正好分布在正六邊形的頂角上, , 形成三個形成三個 互成互成120120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1P1、 P2P2、P3P3。 此時正負電荷重心重合此時正負電荷重心重合, , 電偶極矩的矢量電偶極矩的矢量 和等于零和等于零, , 即即P1+P2+P3 = 0, P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表所以晶體表

7、面不產(chǎn)生電荷面不產(chǎn)生電荷, , 即呈中性。即呈中性。 電偶極矩電偶極矩P P=qL, qqL, q為電荷為電荷 量量, L, L為正負電荷之間距為正負電荷之間距 離。離。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 0)( 321 x ppp 0)( 321 y ppp 0)( 321 z ppp 晶體沿晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, , 正負離子的相對正負離子的相對 位置也隨之變動。位置也隨之變動。 此時正負電荷重心不再重合。此時正負電荷重心不再重合。 電偶極矩在電偶極矩在x x方向上的分量由于方向上的分量由于P3P3的減小和的減小和P1P1、 P2P2的增加而不等于零的增

8、加而不等于零, , 在在x x軸的正方向出現(xiàn)正軸的正方向出現(xiàn)正 電荷電荷, , 電偶極矩在電偶極矩在y y方向上的分量仍為零方向上的分量仍為零, , 不不 出現(xiàn)電荷。出現(xiàn)電荷。 當作用力方向相反時當作用力方向相反時, , 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 + + - - X Y P1 P2 P3 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 0)( 321 x ppp 0)( 321 y ppp 0)( 321 z ppp 當晶體受到沿當晶體受到沿y y軸方向的壓力作用軸方向的壓力作用 時時, P, P1 1增大增大, P, P3 3、P P2 2 減小。減小。 在垂直在垂直x x軸表

9、面上出現(xiàn)電荷軸表面上出現(xiàn)電荷, , 它的它的 極性為極性為x x軸正向為負電荷。軸正向為負電荷。 在在y y軸方軸方 向上不出現(xiàn)電荷。向上不出現(xiàn)電荷。 當作用力方向相反時當作用力方向相反時, 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 + + - - X Y P1 P2 P3 如果沿如果沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 因為晶體因為晶體 在在x x方向和方向和y y方向所產(chǎn)生的形變完全相同方向所產(chǎn)生的形變完全相同, , 所以正負電荷重心保持重合所以正負電荷重心保持重合, , 電偶極矩電偶極矩 矢量和等于零。這表明沿矢量和等于零。這表明沿

10、z z軸方向施加作軸方向施加作 用力用力, , 晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.1.2 4.1.2 壓電傳感器的工作原理壓電傳感器的工作原理 1.1.正壓電效應(yīng)工作原理正壓電效應(yīng)工作原理 晶體受到晶體受到x x方向的壓力方向的壓力FxFx作用，晶片將產(chǎn)作用，晶片將產(chǎn) 生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。由極化生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。由極化 理論，在晶體線性范圍內(nèi)，極化強度與理論，在晶體線性范圍內(nèi)，極化強度與 應(yīng)力成正比，即應(yīng)力成正比，即 ac F ddP x xxxx1111 極化強度在數(shù)值上等于晶體面上的電荷密度極化強度在數(shù)值上等于晶體

11、面上的電荷密度 ac Q P x xx xx FdQ 11 其極間電壓為其極間電壓為 x xx x x F C d C Q U 11 t b a c 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 2.2.逆壓電效應(yīng)工作原理逆壓電效應(yīng)工作原理 在在UxUx的作用下，晶片沿的作用下，晶片沿X X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即 x x x Ed b U d b b Udb 111111 3.3.正壓電效應(yīng)的極化電荷方向正壓電效應(yīng)的極化電荷方向 1)1)在在x x軸方向上施加壓縮力時，右旋石英晶體，在軸方向上施加壓縮力時，右旋石英晶體，在x x軸正向出現(xiàn)正軸正向出現(xiàn)正 電荷。電荷。 2 2）在）

12、在x x軸方向施加拉伸力時，在垂直于軸方向施加拉伸力時，在垂直于x x軸的平面上仍會出現(xiàn)等軸的平面上仍會出現(xiàn)等 量電荷，但極性相反。量電荷，但極性相反。 3 3）在同一晶片上沿）在同一晶片上沿y y軸方向作用力，其電荷仍在與軸方向作用力，其電荷仍在與x x軸垂直的平面軸垂直的平面 上出現(xiàn)。上出現(xiàn)。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 由上述可知：由上述可知： 1)1)無論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與無論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與 電荷（或電場強度）之間成線性關(guān)系；電荷（或電場強度）之間成線性關(guān)系； 2 2）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向

13、上一定存在）晶體在哪個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)。逆壓電效應(yīng)。 3 3）石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)。）石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)。 bc F ddP y yyyy1212 ac q P xy yy yyxy F b a dF b a dq 1112 y xx xy x F bC ad C q U 11 xx Ed a a U b a da 1111 t b a c 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件在受到力作用時，在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷壓電元件在受到力作用時，在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷 其計算公式為：其計算公式為： ij d

14、q : :單位面積上的作用單位面積上的作用力力 d dij ij: :壓電常數(shù) 壓電常數(shù) q:q:電荷密度電荷密度 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 x(1) y(2) z(3) vi(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在表示晶體的極化方向，即在i i面上產(chǎn)生電荷。面上產(chǎn)生電荷。1、2、3 分別表示垂直于分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面軸的晶片表面 vj(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿表示沿x,y,z方向作用的單向應(yīng)力；方向作用的單向應(yīng)力；4，5 ，6表示在表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力平面上承受的剪切應(yīng)力 X0X0切型石英晶體切片的力切型石英晶體

15、切片的力 電分布電分布 x z z F3 (1) F2 F1 F4 F6 F5 (3 ) (2) (1)(1) (3)(3) (2)(2) i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6 y y 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電常數(shù)矩陣 363534333231 262524232221 161514131211 dddddd dddddd dddddd 000000 0000 000 2625 141211 dd ddd 石英晶體壓電常數(shù)矩陣 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.1.34.1.3石英晶體的基本變形形式石英晶體的基本變形形式 n厚度變形（d11) x y

16、 z T1 T1 + - z x yT2 T2 + - n長度變形（d12) 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 v面剪切變形 v厚度剪切變形 x(y) y(x) z T1 T4(T5) + - T4(T5) x y z T6 T6 + - v體積變形 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式 厚度受壓型 長度受壓型 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 厚度切變型 平面切變型 體積受壓型 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.2 4.2 壓電材料壓電材料 壓電材料分為三大類壓電材料分為三大類 ：壓電晶體（石英）：

17、壓電晶體（石英） ，壓電陶瓷（鈦酸鋇、，壓電陶瓷（鈦酸鋇、 鋯鈦酸鉛）和新型壓電材料（壓電半導體和高分子壓電材料）。鋯鈦酸鉛）和新型壓電材料（壓電半導體和高分子壓電材料）。 選擇壓電材料的依據(jù)：選擇壓電材料的依據(jù)： 1.1.轉(zhuǎn)換性能。（具有較大的壓電常數(shù)）轉(zhuǎn)換性能。（具有較大的壓電常數(shù)） 2.2.機械性能。機械性能。 3.3.電性能。（高電阻率和大介電常數(shù)）電性能。（高電阻率和大介電常數(shù)） 4.4.環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境適應(yīng)性。 5.5.時間穩(wěn)定性。時間穩(wěn)定性。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.2.1石英晶體的主要性能 n具有實用價值的壓電材料具有實用價值的壓電材料 n不需要人工極化不

18、需要人工極化 n沒有熱釋電效應(yīng)沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)（由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng) ） n介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好 n居里點溫度達：居里點溫度達：5730 c n壓電材料開始喪失壓電性能的溫度壓電材料開始喪失壓電性能的溫度 n性能穩(wěn)定、機械強度高性能穩(wěn)定、機械強度高 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.2.2 4.2.2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng) v壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。 v材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇材料內(nèi)部的

19、晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, , 它有一定的極化它有一定的極化 方向方向, , 從而存在電場。從而存在電場。 v在無外電場作用時在無外電場作用時, , 電疇在晶體中雜亂分布電疇在晶體中雜亂分布, , 它們的極化它們的極化 效應(yīng)被相互抵消效應(yīng)被相互抵消, , 壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的 壓電陶瓷呈中性壓電陶瓷呈中性, , 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電陶瓷極化處理壓電陶瓷極化處理 在陶瓷上施加外電場時在陶瓷上施加外電場時, , 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動, , 趨向于按外電趨向于按外電 場

20、方向的排列場方向的排列, , 從而使材料得到極化。外電場愈強從而使材料得到極化。外電場愈強, , 就有更多的電疇就有更多的電疇 更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。 讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度, , 即所有電疇極化即所有電疇極化 方向都整齊地與外電場方向一致時方向都整齊地與外電場方向一致時, , 外電場去掉后外電場去掉后, , 電疇的極化方向電疇的極化方向 基本不變基本不變, , 即剩余極化強度很大即剩余極化強度很大, , 這時的材料才具有壓電特性。這時的材料才具有壓電特性。 極化方向即外加電場方向，取為極化方向即外加電場方

21、向，取為Z Z軸方向。軸方向。 E 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 1)1)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 如果在陶瓷片上施加一個與極化方向平行的壓縮力，壓電片如果在陶瓷片上施加一個與極化方向平行的壓縮力，壓電片 產(chǎn)生壓縮變形，使內(nèi)部束縛電荷的間距變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生壓縮變形，使內(nèi)部束縛電荷的間距變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 極化強度變小，致使內(nèi)部的束縛電荷變少，導致被吸附在外面極化強度變小，致使內(nèi)部的束縛電荷變少，導致被吸附在外面 電極上的自由電荷有一部分被釋放，呈現(xiàn)放電狀態(tài)。電極上的自由電荷有一部分被釋放，呈現(xiàn)放電狀態(tài)。 當外力消失后，陶瓷片恢復原狀，使極化當外力消失后，陶

22、瓷片恢復原狀，使極化強度強度增大，內(nèi)部束縛增大，內(nèi)部束縛 電荷增加，導致電極的吸附自由電荷增加，呈現(xiàn)充電狀態(tài)。電荷增加，導致電極的吸附自由電荷增加，呈現(xiàn)充電狀態(tài)。 這種因受力而產(chǎn)生的機械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換這種因受力而產(chǎn)生的機械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換 為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷與外力為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷與外力 成正比關(guān)系，即成正比關(guān)系，即 Fdq 33 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 2 2）壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)）壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng) 如果在陶瓷片上施加一個與極化方向相同的電場，如果在陶瓷片上施加一個與極化方向相同的

23、電場， 由于電場由于電場 方向與極化方向相同，所以電場的作用使極化強度增大，壓電方向與極化方向相同，所以電場的作用使極化強度增大，壓電 陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長變形。同理，若改變電場方向同極化陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長變形。同理，若改變電場方向同極化 方向相反，則陶瓷片將沿極化方向產(chǎn)生縮短變形。方向相反，則陶瓷片將沿極化方向產(chǎn)生縮短變形。 這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)，或者說將電能轉(zhuǎn)換為機械能的這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)，或者說將電能轉(zhuǎn)換為機械能的 現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。變形與電場之間的關(guān)系為現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。變形與電場之間的關(guān)系為 zz Ed t Uz d t t Udt

24、 333333 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 分析可見：分析可見： （1 1）壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在著電疇，經(jīng)）壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在著電疇，經(jīng) 極化處理后被迫取向排列，使內(nèi)部存在剩余極化強度，在外作用極化處理后被迫取向排列，使內(nèi)部存在剩余極化強度，在外作用 （力或電場）下，能使極化強度變化，導致陶瓷出現(xiàn)壓電效應(yīng)。（力或電場）下，能使極化強度變化，導致陶瓷出現(xiàn)壓電效應(yīng)。 （2 2）陶瓷的極化電荷是束縛電荷，它們不能自由移動，陶瓷）陶瓷的極化電荷是束縛電荷，它們不能自由移動，陶瓷 中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，中產(chǎn)生的放電或

25、充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化， 引起電極上的自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。引起電極上的自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 由壓電元件的工作原理可知由壓電元件的工作原理可知, ,壓電式傳感器可以看作壓電式傳感器可以看作 一個電荷發(fā)生器。同時一個電荷發(fā)生器。同時, ,它也是一個電容器它也是一個電容器, ,晶體上晶體上 聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板, ,極板極板 間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), ,則其電容量為則其電容量為 式中式中: : s壓電片的面積壓電片的面積; h壓電片的厚度壓電片的厚度

26、; r壓電材料的相對介電常數(shù)壓電材料的相對介電常數(shù)。 h s C r a 0 2021/2/2132 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 aaU CQ a a C Q U 電荷電荷等效電路等效電路 電壓等效電路電壓等效電路 Q Q Q 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 F Q S F U S q a u auq a q u CSS C S S, 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電傳感器的實際等效電路壓電傳感器在實際使用時壓電傳感器在實際使用時 總要與測量儀器或測量電路總要與測量儀器或測量電路相連接相連接, , 因此還須考慮連接電纜的等效因此還須考慮連接電纜的等效電容電

27、容C Cc c, , 放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻Ri , , 輸入電容輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra 等效電壓源 等效電流源 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.4 4.4 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 + _ U _ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + _ + _ U + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _

28、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + ,2 ,2 2 C CUU QQ 2 ,2 ,CC QQ UU 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 n串聯(lián)串聯(lián); ; 電荷相等電荷相等 電壓相加電壓相加 電容減小電容減小 n并聯(lián)：并聯(lián)： n電壓相等電壓相等 n電荷相加電荷相加 n電容相加電容相加 n i CC i nUU i QQ / i nCC i nQQ i UU 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 4.4.24.4.2壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 電路示意圖

29、 簡化圖 ia RRR/ icic CCCCC/ 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 R i CC a Ctg c )( 1 2 的相位差輸入電壓與作用力之間 1)CCC(R 2 ica 2 ）（ ica m am CCC Fd U 22 )()(1 )( ica ica am im CCCR CCCR U U ) ica CCCR（令： 2 1 am im U U )( 2 arctg 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 0 0 90 1.0 Uim Uam 0.5 1234 A.=0A.=0（靜態(tài)量）時，（靜態(tài)量）時，U Uim im/U /Uam am=0 =0（輸入電壓為零

30、）（輸入電壓為零） 所以不能測量靜態(tài)量。所以不能測量靜態(tài)量。 B.3B.3（高頻情況），（高頻情況），U Uim im/U /Uam am1 1， 實際接近理想，輸入電壓與作用力頻實際接近理想，輸入電壓與作用力頻 率無關(guān)。率無關(guān)。 C.C.一定，一定，越高，高頻響應(yīng)越好越高，高頻響應(yīng)越好 對低頻測量情況：對低頻測量情況：一定，一定，偏差越大偏差越大 所以要求所以要求要大，擴大低頻響應(yīng)范圍要大，擴大低頻響應(yīng)范圍 2 1 am im U U 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 )( icam am V CCC d F U K 2 2 22 )( )( 1)()(1 ica ica m im

31、V CCC R d CCCR Rd F U K 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 -k Uo Cf Q a f o C Q U 結(jié)論：結(jié)論： 1)1) 因因U U0f(Qf(Q，C Cf f) ) ，只與變量，只與變量Q Q，C Cf f有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜 電容無關(guān)，故靈敏度與電纜無關(guān)。電容無關(guān)，故靈敏度與電纜無關(guān)。 2)2)當當Cf=常數(shù)時，則常數(shù)時，則 。 3)3)當當Cf f增大增大時，時，U Uo o減小，故需選擇合適的減小，故需選擇合適的C Cf f值。值。 QU o 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 Rf k Uo Cf CiCcCaQ

32、 fica CkCCCC)1 ( fica io CkCCC Q k kUU )1 ( icaf CCCCk)1(若： f o Ck Q kU )1( f o C Q U 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 結(jié)論：結(jié)論： 1)1)電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓 。 2)U2)U0f(Qf(Q，C Cf f) ) ，只與變量，只與變量Q Q，C Cf f有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜 電容無關(guān)，但必須滿足兩個條件電容無關(guān)，但必須滿足兩個條件: : 和和 k k，但電纜線不易太長，否則會降低信噪比，使低頻特性變壞。但電纜線不易太長，否則會降低信噪比，使低頻特性變壞

33、。 QU o icaf CCCCk )1 ( 4.5 4.5 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 變形方式變形方式 厚度伸縮：縱向壓電效應(yīng)厚度伸縮：縱向壓電效應(yīng) 長度伸縮：橫向壓電效應(yīng)長度伸縮：橫向壓電效應(yīng) 厚度切變：剪切壓電效應(yīng)厚度切變：剪切壓電效應(yīng) 長寬切變：面切壓電效應(yīng)長寬切變：面切壓電效應(yīng) 體積壓縮：縱橫向壓電效應(yīng)體積壓縮：縱橫向壓電效應(yīng) 組合形式組合形式 結(jié)構(gòu)形狀分：圓形、長方形、環(huán)形、柱狀等結(jié)構(gòu)形狀分：圓形、長方形、環(huán)形、柱狀等 元件數(shù)目分：單晶片、雙晶片和多晶片元件數(shù)目分：單晶片、雙晶片和多晶片 極

34、性方式分：串聯(lián)、并聯(lián)極性方式分：串聯(lián)、并聯(lián) 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 加速度計，力傳感器加速度計，力傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式力和壓力傳感器壓電式力和壓力傳感器 一、力傳感器 1、單向力傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 2、雙向力傳感器雙向力傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 3、三向力傳感器三向力傳感器 FX FZ FY 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 受力分析 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 二、壓力傳感器二、壓

35、力傳感器 膜片式壓電壓力傳感器：膜片式壓電壓力傳感器： 后座 墊圈 外殼 石英晶片 導電片 傳力塊 膜片 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式血壓傳感器如圖壓電陶瓷，壓電式血壓傳感器如圖壓電陶瓷， 雙晶片懸梁結(jié)構(gòu)。雙晶片極化方雙晶片懸梁結(jié)構(gòu)。雙晶片極化方 向相反，并聯(lián)相接。在敏感振膜向相反，并聯(lián)相接。在敏感振膜 中央上下兩側(cè)各膠粘有半圓柱塑中央上下兩側(cè)各膠粘有半圓柱塑 料塊。被測動脈血壓通過上塑料料塊。被測動脈血壓通過上塑料 塊、振膜、下塑料塊傳遞到壓電塊、振膜、下塑料塊傳遞到壓電 懸梁的自由端。壓電梁彎曲變形懸梁的自由端。壓電梁彎曲變形 產(chǎn)生壓電式血壓傳感器的電荷輸產(chǎn)生壓電式血壓

36、傳感器的電荷輸 出出。 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 （1 1）工作原理結(jié)構(gòu)組成）工作原理結(jié)構(gòu)組成 基座基座 殼體 彈簧 質(zhì)量塊 壓電片 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式加速度傳感器屬于慣性式壓電式加速度傳感器屬于慣性式 傳感器。傳感器。 測量時傳感器基座與試件剛性連測量時傳感器基座與試件剛性連 接在一起。接在一起。 它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的 壓電效應(yīng)，當傳感器受振時，質(zhì)量壓電效應(yīng)，當傳感器受振時，質(zhì)量 塊受到與加速度方向相反的力的作塊受到與加速度方向相反

37、的力的作 用，并作用在壓電元件上。用，并作用在壓電元件上。 當被測振動頻率遠低于加速度計當被測振動頻率遠低于加速度計 的固有頻率時，則力的變化與被測的固有頻率時，則力的變化與被測 加速度成正比。傳感器輸出電荷也加速度成正比。傳感器輸出電荷也 與加速度成正比。與加速度成正比。 （2 2）工作原理）工作原理 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 )( 0 2 2 2 2 2 tmakx dt dx c dt xd m kx dt dx c dt xd m t tt t t 質(zhì)量塊的絕對位移x2， 激勵為x1 ，質(zhì)量塊相對 位移xt 頻響特性受力分析 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 m

38、aKx dt dx c dt xd m t tt 2 2 拉氏變換得拉氏變換得 maxKCsms t )( 2 傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 Kcsms m a xt 2 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 （3 3）壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)）壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu) 1、壓縮型 質(zhì)量塊 外殼 壓電元件 基座 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 特點：特點： n基于厚度變形基于厚度變形, ,結(jié)構(gòu)簡單。結(jié)構(gòu)簡單。 n頻響好（固有頻率高）頻響好（固有頻率高） n靈敏度高靈敏度高 n對環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、聲噪聲）對環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、聲噪聲） 比較敏感比較敏感 第第4

39、 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 2、剪切型剪切型 環(huán)型剪切 外殼 基座 質(zhì)量塊 壓電元件 中心柱 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 預緊環(huán) 壓電元件 質(zhì)量塊 三角中心柱 三角剪切型三角剪切型 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 H H剪切型剪切型 壓電元件 質(zhì)量塊 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 剪切型的特點剪切型的特點 n受環(huán)境影響小受環(huán)境影響小 n橫向靈敏度小橫向靈敏度小 n尺寸小、重量輕尺寸小、重量輕 n靈敏度高靈敏度高 n頻響高頻響高 第第4 4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 (a)中心安裝壓縮型中心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型三角剪切型 v常用的壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。常用的壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。S S是彈簧，是彈簧，M M是質(zhì)量塊，是質(zhì)量塊，B B是是 基座，