壓電測(cè)量技術(shù)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：有些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冇行┎牧?，?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾?形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào) 相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng) 作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變。作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變。 逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它們就會(huì)產(chǎn)在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它們就會(huì)

2、產(chǎn) 生變形，這種現(xiàn)象稱為生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”，或稱為，或稱為“電致伸縮效電致伸縮效 應(yīng)應(yīng)”。 壓電材料：壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。 第2頁(yè)/共74頁(yè)第1頁(yè)/共74頁(yè) 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來(lái)表征。壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來(lái)表征。 以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力F F作用，作用， 在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷Q Q，力，力F F與電荷與電荷Q Q之間存在如下關(guān)之間存在如下關(guān) 系系 ： FdQ d 壓電常壓電常 數(shù)數(shù) F

3、+ 第3頁(yè)/共74頁(yè)第2頁(yè)/共74頁(yè) 不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面用單位面 積上的力和電荷來(lái)表征壓電效應(yīng)時(shí)，得到：積上的力和電荷來(lái)表征壓電效應(yīng)時(shí)，得到： jij j i dP j方向受力時(shí)在方向受力時(shí)在i方方 向上電荷積累的表面向上電荷積累的表面 密度密度(即沿即沿i方向的極方向的極 化強(qiáng)度化強(qiáng)度)； 沿方向沿方向j j施加外力施加外力 時(shí)，單位面積上時(shí)，單位面積上 感受的應(yīng)力；感受的應(yīng)力； 壓電常數(shù)壓電常數(shù)( j方向受方向受 應(yīng)力，在應(yīng)力，在i方向產(chǎn)生電方向產(chǎn)生電 荷時(shí)的壓電常數(shù)荷時(shí)的壓電常數(shù))。 第4頁(yè)/共74頁(yè)第3頁(yè)/共

4、74頁(yè) 壓電常數(shù)壓電常數(shù)dij有兩個(gè)下腳注有兩個(gè)下腳注 : 第第1個(gè)下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的個(gè)下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的 表面垂直于表面垂直于x軸軸(y軸或軸或z軸軸)，記作，記作i=1（或（或2或或3）。）。 第第2個(gè)下腳注：個(gè)下腳注：j=1或或2、3、4、5、6，分別表示在沿，分別表示在沿x 軸、軸、y軸、軸、z軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于x軸、軸、y軸、軸、 z軸的平面內(nèi)作用的剪切力。軸的平面內(nèi)作用的剪切力。 jij j i dP 第5頁(yè)/共74頁(yè)第4頁(yè)/共74頁(yè) 晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由晶體在任意受力狀態(tài)下所

5、產(chǎn)生的表面電荷密度可由 下列方程組決定：下列方程組決定： 6365354343332321313 6265254243232221212 6165154143132121111 ddddddP ddddddP ddddddP P1、P2、P3： ：分別為在垂直于 分別為在垂直于x軸、軸、y軸和軸和z軸的表面上產(chǎn)生的總軸的表面上產(chǎn)生的總 的電荷密度；的電荷密度； 1、 2 、 3：表示晶體分別沿表示晶體分別沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向所受的外力軸方向所受的外力 分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力；分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力； 4、 5、 6：為剪切應(yīng)力分量。為剪切應(yīng)力分量。 第6頁(yè)/共74頁(yè)第5頁(yè)/共74頁(yè) 晶體

6、（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù) 矩陣表示如下：矩陣表示如下： 363534333231 262524232221 161514131211 dddddd dddddd dddddd 第7頁(yè)/共74頁(yè)第6頁(yè)/共74頁(yè) 石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：石英晶體的壓電常數(shù)矩陣： 000000 20000 000 1114 141111 dd ddd 第8頁(yè)/共74頁(yè)第7頁(yè)/共74頁(yè) khkh Ed（k=1、2、3；、；、2、3、4、5、6） 沿沿h方向的應(yīng)變。方向的應(yīng)變。 沿沿k方向施加的電場(chǎng)。方向施加的電場(chǎng)。 h k E 石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形

7、式表示：石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示： 3 2 1 11 14 14 11 11 6 5 4 3 2 1 020 00 00 000 00 00 E E E d d d d d 第9頁(yè)/共74頁(yè)第8頁(yè)/共74頁(yè) 結(jié)論：結(jié)論： 1 1）有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效 應(yīng)。應(yīng)。晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此 方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。 2 2）逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)）逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù) 相等，且一一對(duì)應(yīng)。一般有：相等，且一一對(duì)

8、應(yīng)。一般有：逆壓電效應(yīng)中壓逆壓電效應(yīng)中壓 電常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)電常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn) 置矩陣。置矩陣。 第10頁(yè)/共74頁(yè)第9頁(yè)/共74頁(yè) 壓電常數(shù)壓電常數(shù)dij的物理意義的物理意義 在在“短路條件短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。 “短路條件短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一開(kāi)始是指壓電元件的表面電荷從一開(kāi)始 發(fā)生就被引開(kāi)，因而在晶體變形上不存在發(fā)生就被引開(kāi)，因而在晶體變形上不存在“二次效二次效 應(yīng)應(yīng)”的理想條件。壓電常數(shù)的理想條件。壓電常數(shù)dij有時(shí)也稱為壓電應(yīng)變常有時(shí)也稱為壓電應(yīng)變常 數(shù)。數(shù)。 第11頁(yè)/共74頁(yè)

9、第10頁(yè)/共74頁(yè) （1）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)g：它表示在不計(jì)它表示在不計(jì)“二次效應(yīng)二次效應(yīng)”的條件下，每單的條件下，每單 位位應(yīng)力應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度，因此有時(shí)也稱為壓電電壓在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度，因此有時(shí)也稱為壓電電壓 常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)d除以晶體的絕對(duì)介電常數(shù)，即除以晶體的絕對(duì)介電常數(shù)，即： 0 r d g （2）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)h：它表示在不計(jì)它表示在不計(jì)“二次效應(yīng)二次效應(yīng)”條件下，每單位條件下，每單位 機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變?cè)诰w內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度。因而在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度。因而h常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓 電晶體材料的機(jī)械性能參數(shù)，數(shù)值上等于

10、壓電常數(shù)電晶體材料的機(jī)械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)g和晶體的和晶體的 楊氏模量楊氏模量E的乘積：的乘積： gEh 第12頁(yè)/共74頁(yè)第11頁(yè)/共74頁(yè) 9.2 壓電材料壓電材料 選擇壓電材料的要求：選擇壓電材料的要求： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高， 機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱電性能：希望具

11、有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱 外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較 寬的工作溫度范圍；寬的工作溫度范圍； 時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性 : : 壓電特性不隨時(shí)間變化。壓電特性不隨時(shí)間變化。 壓電晶體分類：壓電晶體分類： 單晶體：石英晶體等單晶體：石英晶體等 多晶體：壓電陶瓷等多晶體：壓電陶瓷等 第13頁(yè)/共74頁(yè)第12頁(yè)/共74頁(yè) 石英晶體 石英晶體有石英晶體有天然的石英天然的石英和和人工石英單晶體人工石英單晶體兩種。兩種。 結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體

12、，有結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體，有 右旋石英晶體和左旋石英晶體之右旋石英晶體和左旋石英晶體之 分，其理想外形共包括三十個(gè)晶分，其理想外形共包括三十個(gè)晶 面，分成五組。以面，分成五組。以 m、R、r、s 和和x表示。六個(gè)表示。六個(gè)m面也稱柱面，六面也稱柱面，六 個(gè)個(gè)R面也稱大棱面，六個(gè)面面也稱大棱面，六個(gè)面r也稱也稱 為小棱面，還有六個(gè)為小棱面，還有六個(gè)s面和六個(gè)面和六個(gè)x 面。面。 第14頁(yè)/共74頁(yè)第13頁(yè)/共74頁(yè) x軸：軸：與與z軸垂直的平面上，并通過(guò)相對(duì)兩棱的直線軸垂直的平面上，并通過(guò)相對(duì)兩棱的直線(有三個(gè)有三個(gè))， 又稱為又稱為電軸電軸。 y軸：軸：與與x軸、軸、z軸垂直的是軸垂直的是

13、y軸，又稱為軸，又稱為機(jī)械軸機(jī)械軸； z軸：軸：晶體對(duì)稱軸，又稱為晶體對(duì)稱軸，又稱為光軸光軸； x切割：切割：截得的壓電元件之兩個(gè)端面與截得的壓電元件之兩個(gè)端面與x軸相垂直；軸相垂直； y切割：切割：截得的壓電元件中的兩個(gè)端面與截得的壓電元件中的兩個(gè)端面與y軸相垂直。軸相垂直。 第15頁(yè)/共74頁(yè)第14頁(yè)/共74頁(yè) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng) a) a) 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng): :沿電軸沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷 的壓電效應(yīng)的壓電效應(yīng). . xx FdQ dFQ 11 第16頁(yè)/共74頁(yè)第15頁(yè)/共74頁(yè) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種

14、壓電效應(yīng) b) b) 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-YY-Y方向的力作用下產(chǎn)生電方向的力作用下產(chǎn)生電 荷的壓電效應(yīng)荷的壓電效應(yīng). . y FdQ 12 第17頁(yè)/共74頁(yè)第16頁(yè)/共74頁(yè) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng) c) c) 切向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng) 第18頁(yè)/共74頁(yè)第17頁(yè)/共74頁(yè) 石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在2020 200200范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是-0.016%/-0.016%/， 在溫度較低時(shí)，壓電常數(shù)的變化很小。在溫度較低時(shí)，壓電常數(shù)的變化很小。

15、居里點(diǎn)：居里點(diǎn)：573 573 石英晶體的石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。，溫度穩(wěn)定性很好。 機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒(méi)有熱釋電效應(yīng)沒(méi)有熱釋電效應(yīng)（由于溫（由于溫 度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。 第19頁(yè)/共74頁(yè)第18頁(yè)/共74頁(yè) 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶 組成。組成。 1 1）極化前）極化前 它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的“電疇電疇”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：“電電 疇疇”是分子

16、自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任 意排列的，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，意排列的，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)壓電性質(zhì)，但是組成多晶后， 各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。 原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。 第20頁(yè)/共74頁(yè)第19頁(yè)/共74頁(yè) 2 2）極化后）極化后 極化處理：極化處理：在一定溫度下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，在一定溫度下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)， 使電疇的自發(fā)極化方向按外加電場(chǎng)的方向取向。使電疇的自發(fā)極化方向按外加電場(chǎng)的方向

17、取向。 壓電陶瓷 1 電場(chǎng)撤消，電疇的自發(fā)極化在按原外加電場(chǎng)方向取向，陶 瓷內(nèi)極化強(qiáng)度不再為零。 第21頁(yè)/共74頁(yè)第20頁(yè)/共74頁(yè) 機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，即由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，即由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為 壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。極化方向定義為極化方向定義為z z軸。壓電陶瓷穩(wěn)定軸。壓電陶瓷穩(wěn)定 性較石英晶體差。性較石英晶體差。 2 在陶瓷片極化的兩端就出現(xiàn)束縛正負(fù)電荷。在陶瓷片的電在陶瓷片極化的兩端就出現(xiàn)束縛正負(fù)電荷。在陶瓷片的電 極表面上很快吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。極表面上很快吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。 3自由電荷與陶瓷

18、片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)值相等，起自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)值相等，起 屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外作用屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外作用,陶瓷片內(nèi)不表現(xiàn)極性陶瓷片內(nèi)不表現(xiàn)極性 4陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的力陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的力,陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形 5片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極 化強(qiáng)度變小，原來(lái)吸附在極板上的自由電荷，有一部分被釋化強(qiáng)度變小，原來(lái)吸附在極板上的自由電荷，有一部分被釋 放放 6 壓力撤消，恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正負(fù)電荷之間的距離變大，壓力撤消，恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正

19、負(fù)電荷之間的距離變大， 極化強(qiáng)度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷極化強(qiáng)度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷 第22頁(yè)/共74頁(yè)第21頁(yè)/共74頁(yè) 壓電陶瓷的種類壓電陶瓷的種類 : 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷系壓電陶瓷 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN) 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷 需要指出需要指出: 通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明 顯的顯的熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。 第23頁(yè)/共74頁(yè)第22頁(yè)/共74頁(yè) 第24頁(yè)/共74頁(yè)第23頁(yè)/共74頁(yè) 在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片

20、或兩片以上在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片或兩片以上 組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。 1）并聯(lián)法）并聯(lián)法 Q=2Q ; U=Ua ; C= 2 Ca 壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式 第25頁(yè)/共74頁(yè)第24頁(yè)/共74頁(yè) 2)串聯(lián)法串聯(lián)法 Q=Q ; U=2Ua ; C= 2 a C 比較：比較：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上 負(fù)載后時(shí)間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)負(fù)載后時(shí)間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場(chǎng) 合，相對(duì)來(lái)說(shuō)允許被測(cè)對(duì)象變化頻率稍低。串聯(lián)接法合，相對(duì)來(lái)說(shuō)

21、允許被測(cè)對(duì)象變化頻率稍低。串聯(lián)接法 輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量 的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。 第26頁(yè)/共74頁(yè)第25頁(yè)/共74頁(yè) 9.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 9.3.1 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件壓電元件是壓電式傳感器的是壓電式傳感器的敏感元件敏感元件。 當(dāng)它受到外力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電軸或垂直當(dāng)它受到外力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電軸或垂直 于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個(gè)表面上聚集正于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個(gè)表面上聚集正 電

22、荷，在另一個(gè)表面上聚集等量的負(fù)電荷。電荷，在另一個(gè)表面上聚集等量的負(fù)電荷。 可以把可以把壓電式傳感器壓電式傳感器看作一個(gè)看作一個(gè)靜電電容器靜電電容器。 第27頁(yè)/共74頁(yè)第26頁(yè)/共74頁(yè) 電容量電容量: t s t s C r a 0 S電容器極板面積；電容器極板面積； t壓電元件厚度壓電元件厚度 壓電材料的介電常數(shù)；壓電材料的介電常數(shù)； 0真空的介電常數(shù)；真空的介電常數(shù)； r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)， 隨材料不同而變。隨材料不同而變。 Ca壓電元件的內(nèi)部電容。壓電元件的內(nèi)部電容。 1.等效電路等效電路 1）電荷源）電荷源 可等效成為一個(gè)可等效成為一個(gè)電荷電荷 源源和一

23、個(gè)和一個(gè)電容電容的等效電的等效電 路。路。 第28頁(yè)/共74頁(yè)第27頁(yè)/共74頁(yè) 電容器上的電壓電容器上的電壓Ua（開(kāi)路電壓）、電荷（開(kāi)路電壓）、電荷Q與電容與電容 Ca之間存在著以下關(guān)系：之間存在著以下關(guān)系： a a C Q U 2)電壓源電壓源 可以等效為一個(gè)可以等效為一個(gè)電壓源電壓源 和一個(gè)和一個(gè)串聯(lián)電容串聯(lián)電容表示的表示的 電壓等效電路。電壓等效電路。 第29頁(yè)/共74頁(yè)第28頁(yè)/共74頁(yè) 9.3.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 1）測(cè)量系統(tǒng)）測(cè)量系統(tǒng) 框圖框圖 第30頁(yè)/共74頁(yè)第29頁(yè)/共74頁(yè) 2）完整的等效電路）完整的等效電路 Ra為傳感器的絕緣電阻；為傳感器的絕

24、緣電阻； Ri為前置放大器的輸入電阻；為前置放大器的輸入電阻； Ca為傳感器內(nèi)部電容為傳感器內(nèi)部電容 Cc為電纜電容；為電纜電容； Ci為前置放大器輸入電容為前置放大器輸入電容。 第31頁(yè)/共74頁(yè)第30頁(yè)/共74頁(yè) 靈敏度有兩種靈敏度有兩種: 電壓靈敏度電壓靈敏度Ku:單位力的電壓?jiǎn)挝涣Φ碾妷? Ku=U/F 電荷靈敏度電荷靈敏度Kq:單位力的電荷單位力的電荷; Kq=Q/F 兩種靈敏度的關(guān)系兩種靈敏度的關(guān)系: 3）壓電傳感器的靈敏度）壓電傳感器的靈敏度 a C K K Q U 第32頁(yè)/共74頁(yè)第31頁(yè)/共74頁(yè) 9.4 9.4 測(cè)量電路測(cè)量電路 1.引言引言 壓電器件是一個(gè)有源電容器：高

25、內(nèi)阻、小功率（信號(hào)弱）壓電器件是一個(gè)有源電容器：高內(nèi)阻、小功率（信號(hào)弱） 放大放大 阻抗變換阻抗變換 第33頁(yè)/共74頁(yè)第32頁(yè)/共74頁(yè) 前置放大器作用前置放大器作用 將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出; 起放大傳感器微弱信號(hào)的作用。起放大傳感器微弱信號(hào)的作用。 傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)(把傳感器看作電壓把傳感器看作電壓 發(fā)生器發(fā)生器)；也可以是電荷信號(hào)；也可以是電荷信號(hào)(把傳感器看作電荷發(fā)生把傳感器看作電荷發(fā)生 器器) 傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入 阻抗的阻抗的前置放大

26、器前置放大器。 第34頁(yè)/共74頁(yè)第33頁(yè)/共74頁(yè) 主要區(qū)別：主要區(qū)別： 使用使用電壓放大器電壓放大器時(shí)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變化非時(shí)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變化非 常敏感，尤其電纜長(zhǎng)度變化更為明顯常敏感，尤其電纜長(zhǎng)度變化更為明顯; 使用使用電荷放大器電荷放大器時(shí)，電時(shí)，電 纜長(zhǎng)度變化的影響可忽略不計(jì)。纜長(zhǎng)度變化的影響可忽略不計(jì)。 前置放大器有兩種：前置放大器有兩種： 電壓放大器電壓放大器: : 輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電 壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換 器；器； 電荷放大器電荷放大

27、器: : 輸出電壓與輸入電荷成比例。輸出電壓與輸入電荷成比例。 第35頁(yè)/共74頁(yè)第34頁(yè)/共74頁(yè) 9.4.1 電壓放大器電壓放大器 電容器電容器放放電特性：電特性： 電容器兩端的電壓將按指電容器兩端的電壓將按指 數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定 于測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)于測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù) ， 越大，放電越慢；反之，放電越大，放電越慢；反之，放電 就越快。就越快。 第36頁(yè)/共74頁(yè)第35頁(yè)/共74頁(yè) 可見(jiàn)可見(jiàn)：只有在：只有在測(cè)量回路開(kāi)路測(cè)量回路開(kāi)路情況，也就是傳感器情況，也就是傳感器 本身的絕緣電阻本身的絕緣電阻Ra無(wú)限大的情況，才能使傳感器的輸無(wú)限大的情況，才能使傳感器

28、的輸 出電壓（或電荷）保持不變出電壓（或電荷）保持不變; 如果傳感器本身的如果傳感器本身的絕緣電阻絕緣電阻不是足夠大，電荷就不是足夠大，電荷就 會(huì)通過(guò)這個(gè)電阻很快漏掉。會(huì)通過(guò)這個(gè)電阻很快漏掉。 傳感器與測(cè)量?jī)x器連接應(yīng)考慮傳感器與測(cè)量?jī)x器連接應(yīng)考慮: 電纜電容電纜電容; 前置放大器的輸入電容和輸入電阻前置放大器的輸入電容和輸入電阻; 第37頁(yè)/共74頁(yè)第36頁(yè)/共74頁(yè) 等效電阻等效電阻R ： ia ia RR RR R 等效電容等效電容C： ica CCCC Ra:傳感器的絕緣電阻；傳感器的絕緣電阻； Ri:前置放大器的輸入電阻；前置放大器的輸入電阻； Ca:傳感器內(nèi)部電容傳感器內(nèi)部電容; C

29、c:電纜電容；電纜電容； Ci:前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容。 第38頁(yè)/共74頁(yè)第37頁(yè)/共74頁(yè) 前置放大器的輸入電壓前置放大器的輸入電壓 為為 sr U RC R IU sr j1 設(shè)作用在壓電元件上的力為設(shè)作用在壓電元件上的力為F，其幅值為，其幅值為Fm，頻，頻 率為率為 。即。即 在力在力F的作用下，產(chǎn)生的電荷的作用下，產(chǎn)生的電荷Q為為 Q=dF 第39頁(yè)/共74頁(yè)第38頁(yè)/共74頁(yè) tCosdF t Q i m d d 寫(xiě)成復(fù)數(shù)形式寫(xiě)成復(fù)數(shù)形式 FdI j RC R FdU sr j1 j 前置放大器的輸入電壓的幅值前置放大器的輸入電壓的幅值Uim 22 )()(1 ica

30、 m im CCCR RdF U 第40頁(yè)/共74頁(yè)第39頁(yè)/共74頁(yè) 輸入電壓與作用力之間的相位差用輸入電壓與作用力之間的相位差用 為為 RCCC ica )(arctan 2 理想情況下，傳感器的絕緣電阻理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器和前置放大器 的輸入電阻的輸入電阻Ri都為無(wú)限大，即等效電阻都為無(wú)限大，即等效電阻R為無(wú)限大的為無(wú)限大的 情況，電荷沒(méi)有泄漏（即傳感器的開(kāi)路電壓）情況，電荷沒(méi)有泄漏（即傳感器的開(kāi)路電壓） 。 前置放大器輸入電壓的幅值前置放大器輸入電壓的幅值Uam ica am CCC dF U 它與輸入電壓它與輸入電壓Uim之幅值之幅值 比比 22 )()(1

31、)( ica ica am im CCCR CCCR U U 第41頁(yè)/共74頁(yè)第40頁(yè)/共74頁(yè) 令令 1 )( 1 1 ica CCCR 為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù) )( ica CCCR 即有：即有： 22 1 1 1 1 1 1 am im U U )arctan( 2 arctan 2 1 第42頁(yè)/共74頁(yè)第41頁(yè)/共74頁(yè) 電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系 當(dāng)作用在壓電元件上的力是當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力靜態(tài)力（ =0）時(shí)，前置放）時(shí)，前置放 大器的輸入電壓等于零。大器的輸入電壓等于零。 當(dāng)當(dāng) 1時(shí)，作用力的變化頻率與測(cè)量回路的時(shí)間

32、常數(shù)的時(shí)，作用力的變化頻率與測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的 乘積乘積遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于1時(shí)，前置放大器的輸入電壓時(shí)，前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的變化不大。隨頻率的變化不大。 當(dāng)當(dāng) 3時(shí)，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)。時(shí)，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)。 第43頁(yè)/共74頁(yè)第42頁(yè)/共74頁(yè) 說(shuō)明：說(shuō)明： 在測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳在測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳 感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的。感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的。 但應(yīng)當(dāng)指出但應(yīng)當(dāng)指出:不能靠增加測(cè)量回路的電容量來(lái)不能靠增加測(cè)量回路的電容量來(lái) 提高時(shí)間常數(shù)提高時(shí)間常數(shù)(傳感器的電壓靈敏度是與電容成反比傳感器的電壓

33、靈敏度是與電容成反比)。 2 2 33 )( )( 1 ica m im U CCC R d F U K 增加測(cè)量回路的電容量必然會(huì)使傳感器的靈敏度增加測(cè)量回路的電容量必然會(huì)使傳感器的靈敏度 下降。下降。 第44頁(yè)/共74頁(yè)第43頁(yè)/共74頁(yè) 可行的辦法可行的辦法:提高測(cè)量回路的電阻。提高測(cè)量回路的電阻。 傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測(cè)量回路的電傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測(cè)量回路的電 阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。 放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就 越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。越大，傳感器的低頻

34、響應(yīng)也就越好。 提高提高前置前置放大器輸入電阻放大器輸入電阻采取的方法：采取的方法：采用場(chǎng)效應(yīng)管。采用場(chǎng)效應(yīng)管。 壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時(shí)，連接壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時(shí)，連接 電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容就大，電纜電容 增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 解決電纜問(wèn)題的方法解決電纜問(wèn)題的方法: 將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。 第45頁(yè)/共74頁(yè)第44頁(yè)/共74頁(yè) 第46頁(yè)/共74頁(yè)第45頁(yè)/共74頁(yè) 9.4.2 電荷放大器電

35、荷放大器 電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的 電壓源，且輸出電源正比于輸入電荷。電壓源，且輸出電源正比于輸入電荷。 一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其 輸入阻抗高達(dá)輸入阻抗高達(dá)10101012， 而輸出阻抗小于而輸出阻抗小于100。 使用電荷放大器優(yōu)點(diǎn)使用電荷放大器優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的：在一定條件下，傳感器的 靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。 工作原理工作原理 電荷放大器是一個(gè)具電荷放大器是一個(gè)具 有深度電容負(fù)反饋的高增有深度電容負(fù)反饋的高增 益放大器。益放大器。 K:放大器

36、的開(kāi)環(huán)增益放大器的開(kāi)環(huán)增益 第47頁(yè)/共74頁(yè)第46頁(yè)/共74頁(yè) 電荷放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，因此放電荷放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，因此放 大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，電大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，電 荷荷Q只對(duì)反饋電容只對(duì)反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的充電，充電電壓接近等于放大器的 輸出電壓輸出電壓: f csc C Q UU f Usc放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端的電壓。反饋電容兩端的電壓。 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電 容有關(guān)，而與放大器的放大系

37、數(shù)的變化或電纜電容等容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等 均無(wú)關(guān)系均無(wú)關(guān)系 。 第48頁(yè)/共74頁(yè)第47頁(yè)/共74頁(yè) 只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷 量量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容Cf小，輸小，輸 出就大，因此要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，必須選出就大，因此要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，必須選 擇適當(dāng)容量的反饋電容。擇適當(dāng)容量的反饋電容。 電荷放大器電荷放大器輸出輸出電壓公式電壓公式: 由由“虛地虛地”原理可知，原理可知， 反饋電容反饋電容Cf折合到放大器輸折合到放大器輸 入端的有效電容入端

38、的有效電容Cf為為 ff CKC)1 ( 第49頁(yè)/共74頁(yè)第48頁(yè)/共74頁(yè) 壓電元件產(chǎn)生的電荷壓電元件產(chǎn)生的電荷 Q不僅對(duì)反饋電容充電，同不僅對(duì)反饋電容充電，同 時(shí)也對(duì)其它所有電容充電。時(shí)也對(duì)其它所有電容充電。 放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓 fica sc CKCCC KQ U )1 ( 可見(jiàn)可見(jiàn)：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大 器的開(kāi)環(huán)增益器的開(kāi)環(huán)增益K足夠高，并滿足以下條件：足夠高，并滿足以下條件： )()1 ( icaf CCCCK 放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓為 f sc C Q U 一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻一般在

39、反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻Rf(約約108 1010 )，其功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷，其功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷 放大器工作穩(wěn)定。放大器工作穩(wěn)定。 第50頁(yè)/共74頁(yè)第49頁(yè)/共74頁(yè) fica sc CKCCC KQ U )1 ( 第51頁(yè)/共74頁(yè)第50頁(yè)/共74頁(yè) 第52頁(yè)/共74頁(yè)第51頁(yè)/共74頁(yè) 9.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件直接成為力壓電元件直接成為力電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。 關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機(jī)械上串關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機(jī)械上串 聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力聯(lián)或并聯(lián)的晶片

40、數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 壓電元件的壓電元件的變形方式變形方式以利用以利用縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)的的 TE方式為最簡(jiǎn)便。方式為最簡(jiǎn)便。 壓電材料的選擇決定壓電材料的選擇決定:所測(cè)力的量值大小、對(duì)測(cè)所測(cè)力的量值大小、對(duì)測(cè) 量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。 第53頁(yè)/共74頁(yè)第52頁(yè)/共74頁(yè) 晶片數(shù)目晶片數(shù)目:通常使用通常使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。的兩片。 晶片機(jī)械串聯(lián)的數(shù)目增加會(huì)導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾晶片機(jī)械串聯(lián)的數(shù)目增加會(huì)導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾 能力的降低能力的降低; 晶片晶片機(jī)械上并聯(lián)的片數(shù)增加會(huì)導(dǎo)

41、致傳感器加工精度機(jī)械上并聯(lián)的片數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致傳感器加工精度 過(guò)高過(guò)高 。 第54頁(yè)/共74頁(yè)第53頁(yè)/共74頁(yè) 晶體片為晶體片為X切割石英晶片，尺寸為切割石英晶片，尺寸為 81mm ， 上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為 0.10.5mm,由測(cè)力范圍（由測(cè)力范圍（Fmax=500Kg） 決定。絕緣套用來(lái)決定。絕緣套用來(lái)絕緣和定位。絕緣和定位?；鶅?nèi)外底基座內(nèi)外底 面對(duì)其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極面對(duì)其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極 的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求。否則會(huì)使橫向靈敏的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求。否則會(huì)使橫向靈敏

42、 度增加或使片子因應(yīng)力集中而過(guò)早破壞。度增加或使片子因應(yīng)力集中而過(guò)早破壞。 提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過(guò)多次凈化（包括超聲波清洗），然后提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過(guò)多次凈化（包括超聲波清洗），然后 在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。 接觸面不可能絕對(duì)平坦，需要施加預(yù)緊力，保證全面均勻接觸。接觸面不可能絕對(duì)平坦，需要施加預(yù)緊力，保證全面均勻接觸。 1.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 YDS781型單向壓電式測(cè)型單向壓電式測(cè) 力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 第55頁(yè)/共74頁(yè)第54頁(yè)/共74頁(yè) 2.壓電式壓力傳感器壓電式

43、壓力傳感器 1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 2）溫度補(bǔ)償方法：）溫度補(bǔ)償方法： 3）加速度補(bǔ)償原理）加速度補(bǔ)償原理 (膜片式膜片式) 第56頁(yè)/共74頁(yè)第55頁(yè)/共74頁(yè) 第57頁(yè)/共74頁(yè)第56頁(yè)/共74頁(yè) 補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法 采用溫度補(bǔ)償金屬塊，選用采用溫度補(bǔ)償金屬塊，選用 溫度系數(shù)與膜片及殼體相反溫度系數(shù)與膜片及殼體相反 的金屬塊。的金屬塊。 第58頁(yè)/共74頁(yè)第57頁(yè)/共74頁(yè) 第59頁(yè)/共74頁(yè)第58頁(yè)/共74頁(yè) 3.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 引言：引言： 加速度測(cè)量方法及傳感器分類：絕對(duì)式、相對(duì)式加速度測(cè)量方法及傳感器分類：絕對(duì)式、相對(duì)式 (慣性式慣性式) 慣性式慣性式: 牽

44、連運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng) 相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng) 1)結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 (壓縮式壓電加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器) 第60頁(yè)/共74頁(yè)第59頁(yè)/共74頁(yè) 2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 基座：加厚基座或選用剛度較大的材料；基座：加厚基座或選用剛度較大的材料； 質(zhì)量塊質(zhì)量塊m：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏 度；度； 引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍 銀電板；銀電板； 預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。 第61頁(yè)/共74頁(yè)第60頁(yè)/共74頁(yè) 3）傳遞

45、函數(shù)）傳遞函數(shù) 有有：)( )( )()( 2 2 2 2 tky dt tdy c dt tyd dt txd m m k n （1） 引入引入： mk c 2 第62頁(yè)/共74頁(yè)第61頁(yè)/共74頁(yè) 被測(cè)加速度為被測(cè)加速度為 )( )( 2 2 ta dt txd 則式（則式（1）可寫(xiě)成：）可寫(xiě)成： aty dt tdy dt tyd nn )( )( 2 )( 2 2 2 2 2 11 () 1 ()2 n nn H j j 2222 2 )(4)(1 11 )( nn n a A 第63頁(yè)/共74頁(yè)第62頁(yè)/共74頁(yè) 2 )(1 2 )( n n a arctg 結(jié)論結(jié)論：上限頻率取決于

46、傳感器的機(jī)械特性；：上限頻率取決于傳感器的機(jī)械特性； 下限頻率取決于測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)下限頻率取決于測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)。 2222 2 )(4)(1 1 )( nn an A 第64頁(yè)/共74頁(yè)第63頁(yè)/共74頁(yè) 產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因 （1） 壓電材料性能的不均勻、壓電壓電材料性能的不均勻、壓電 片表面粗糙或兩個(gè)表面不平行、壓片表面粗糙或兩個(gè)表面不平行、壓 電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；電片表面有雜質(zhì)或接觸不良； （2） 晶體片切割或極化方向有偏差；晶體片切割或極化方向有偏差； （3） 傳感器基座上下兩端互相不平傳感器基座上下兩端互相不平 行；行； （4） 基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面與主

47、軸方向互不垂直， 基座平面不平；基座平面不平； （5） 質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不 緊；緊； （6） 傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不 對(duì)稱。對(duì)稱。 第65頁(yè)/共74頁(yè)第64頁(yè)/共74頁(yè) ： 9.6 9.6 引起壓電式傳感器測(cè)量誤差的因素引起壓電式傳感器測(cè)量誤差的因素 9.6.1 環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響 周圍環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電常數(shù)和介電常周圍環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電常數(shù)和介電常 數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。 1）石英晶體）石英晶體 石英晶體對(duì)溫度并不敏感，在常溫范圍

48、甚至溫度高至石英晶體對(duì)溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至 200，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在200 400范圍內(nèi)變化也不大。范圍內(nèi)變化也不大。 2）壓電陶瓷）壓電陶瓷 人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多， 壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)大體上如圖所示。壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)大體上如圖所示。 第66頁(yè)/共74頁(yè)第65頁(yè)/共74頁(yè) 為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間溫度穩(wěn)為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間溫度穩(wěn) 定性，一般應(yīng)進(jìn)行定性，一般應(yīng)進(jìn)行人工老化處理人工老化處理。 人

49、工老化處理人工老化處理: 將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加 溫和降溫，連續(xù)做一個(gè)星期，加溫和降溫的周期為二溫和降溫，連續(xù)做一個(gè)星期，加溫和降溫的周期為二 小時(shí)。小時(shí)。 第67頁(yè)/共74頁(yè)第66頁(yè)/共74頁(yè) 壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用 穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時(shí)，穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時(shí)， 壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會(huì)發(fā)生變化。壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會(huì)發(fā)生變化。 普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這 主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐

50、溫限制。主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。 壓電材料的電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律壓電材料的電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律 減小的。減小的。 傳感器的連接電纜也是一個(gè)至關(guān)重要的部件。普傳感器的連接電纜也是一個(gè)至關(guān)重要的部件。普 通電纜是不能耐通電纜是不能耐700以上高溫的。以上高溫的。 電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無(wú)機(jī)電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無(wú)機(jī) 絕緣材料中使絕緣電阻減低。絕緣材料中使絕緣電阻減低。 第68頁(yè)/共74頁(yè)第67頁(yè)/共74頁(yè) 9.6.2 環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度的影響 環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能影響很大。如傳感環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能影響很

51、大。如傳感 器長(zhǎng)期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏器長(zhǎng)期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏 電阻）將會(huì)減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。電阻）將會(huì)減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。 要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、 聚苯乙烯、陶瓷等聚苯乙烯、陶瓷等。 零件表面的光潔度要高零件表面的光潔度要高。 對(duì)一些長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)對(duì)一些長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng) 采取防潮密封措施，在容易漏氣或進(jìn)水的輸出引線接采取防潮密封措施，在容易漏氣或進(jìn)水的輸出引線接 頭處用特殊材料加以密封。頭處用特殊材料加以密封。 第69頁(yè)/共74頁(yè)第68頁(yè)/共74頁(yè) 9.6.3 電纜噪聲電纜噪聲 壓電式傳感器的信號(hào)電纜一般采用小型同軸導(dǎo)壓電式傳感器的信號(hào)電纜一般采用小型同軸導(dǎo) 線，這種電纜很柔軟，具有良好的撓性。線，這種電纜很柔軟，具有良好的撓性。 電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電 纜是由聚乙烯或聚四氟乙烯作絕緣保護(hù)層的多股絞線纜是由聚乙烯或聚四氟乙烯作絕緣保護(hù)層的多股絞線 組成。組成。 為了減少這種噪聲，除選用特制的低噪聲電纜。為了減少這種噪聲，