第三章 壓電式傳感器_改

1、-作者xxxx-日期xxxx第三章 壓電式傳感器_改【精品文檔】第3章 壓電式傳感器§3.1 壓電效應(yīng)及材料§3 壓電效應(yīng)§3 壓電材料§3.1 壓電晶體§3.2 壓電陶瓷§3.3 新型壓電材料§3.1.3 壓電振子§3.2 壓電傳感器等效電路和測(cè)量電路§3.2.1 等效電路§3.2.2 測(cè)量電路§3.2.2.1 電壓放大器§3.2.2.2 電荷放大器§3.2.2.3 諧振電路§3.3 壓電式傳感器及其應(yīng)用§3.3.1 壓電式加速度傳感器

2、7;3.3.1.1 結(jié)構(gòu)類(lèi)型§3.3.1.2壓電加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性§3.3.2 壓電式力傳感器§3.3.3壓電角速度陀螺§3.4 聲波傳感技術(shù)§3.4.1 SAW 傳感器§3.4.1.l SAW傳感器特點(diǎn)§3.4.1.2 SAW傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理§3.4.1.3 SAW振蕩器§3.4.2 超聲檢測(cè)§3.4.2.1 超聲檢測(cè)的物理基礎(chǔ)§3.4.2.2 超聲波探頭§3.4.2.3 超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用思考題第3章 壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。它既可以將

3、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。§3.1 壓電效應(yīng)及材料§3 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)（piezoelectric effect）是指某些介質(zhì)在施加外力造成本體變形而產(chǎn)生帶電狀態(tài)或施加電場(chǎng)而產(chǎn)生變形的雙向物理現(xiàn)象，是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的總稱(chēng)，一般習(xí)慣上壓電效應(yīng)指正壓電效應(yīng)。當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時(shí)，在其一定的兩個(gè)表面上產(chǎn)生異號(hào)電荷，當(dāng)外力去除后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)（positive piezodielectric effect）。其中電荷大小與外力大小成正比，極性取

4、決于變形是壓縮還是伸長(zhǎng)，比例系數(shù)為壓電常數(shù)，它與形變方向有關(guān)，在材料的確定方向上為常量。它屬于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種效應(yīng)。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，某些電介質(zhì)在一定方向上將產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形或應(yīng)力也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)（reverse piezodielectric effect），又稱(chēng)電致伸縮效應(yīng)，其應(yīng)變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度的大小成正比，方向隨電場(chǎng)方向變化而變化。它屬于將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。1880-1881年，雅克（Jacques）和皮埃爾·居

5、里（Piere Curie）發(fā)現(xiàn)了這兩種效應(yīng)。圖3-1為壓電效應(yīng)示意圖。（a）正壓電效應(yīng)；（b）壓電效應(yīng)的可逆性圖3-1壓電效應(yīng)由物理學(xué)知，一些離子型晶體的電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等）不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。為了對(duì)壓電材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行描述，表明材料的電學(xué)量（D、E）力學(xué)量（T、S）行為之間的量的關(guān)系，建立了壓電方程。正壓電效應(yīng)中，外力與因極化作用而在材料表面存儲(chǔ)的電荷量成正比。即： 或 （3. 1） D、電位移矢量、電荷密度，單位面積的電荷量，C/m2； T應(yīng)力，單位面積作用的應(yīng)力，N/m2； d正壓電系數(shù)，C/N。逆壓電效應(yīng)中，外電場(chǎng)作用下的材料

6、應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。即： （3. 2）式中 S應(yīng)變，應(yīng)變，微應(yīng)變； E外加電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m； 逆壓電系數(shù)，C/N。當(dāng)對(duì)于多維壓電效應(yīng)，為d的轉(zhuǎn)置矩陣，見(jiàn)（3.5）、（3.6）。壓電材料是絕緣材料。把壓電材料置于兩金屬極板之間，構(gòu)成一種帶介質(zhì)的平行板電容器，金屬極板收集正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷。由物理學(xué)知，平行板電容器中 （3. 3）式中 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)=8.85pF/m。那么可以計(jì)算出平行板電容器模型中正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓 （3. 4）式中h平行板電容器極板間距。人們常用 表示壓電電壓系數(shù)。 例如，壓電材料鈦酸鉛 d=44pC/N，=600。取T=1000N，h=1cm，

7、則V。具有壓電性的電介質(zhì)（稱(chēng)壓電材料），能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電材料是各項(xiàng)異性的，即不同方向的壓電系數(shù)不同，常用矩陣向量d表示，6×3維。進(jìn)而有電位移矩陣向量D，1×3維；應(yīng)力矩陣向量T，1×6維；應(yīng)變矩陣向量S，1×6維；電場(chǎng)強(qiáng)度矩陣向量E，1×3維。用向量形式對(duì)壓電材料和壓電效應(yīng)，在空間上進(jìn)行統(tǒng)一描述。實(shí)際上對(duì)于具體壓電材料壓電系數(shù)中的元素多數(shù)為零或?qū)ΨQ(chēng)，人們可以在壓電效應(yīng)最大的主方向上，“一維”地進(jìn)行壓電傳感器設(shè)計(jì)。在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力一電作用狀況如圖3-2 所示。圖中：T1、T2、T3分別為沿x、y、z向的正應(yīng)力分量（壓應(yīng)力為負(fù)

8、）；T4、T5、T6分別為繞x、y、z軸的切應(yīng)力分量（順時(shí)鐘方向?yàn)樨?fù)）；1、2、3分別為在x、y、z面上的電荷密度（或電位移D）。正壓電方程的向量矩陣表示，壓電方程的向量矩陣表示。壓電方程是全壓電效應(yīng)的數(shù)學(xué)描述。它反映了壓電介質(zhì)的力學(xué)行為與電學(xué)行為之間相互作用（即機(jī)電轉(zhuǎn)換）的規(guī)律。圖3-2壓電材料中方向坐標(biāo)含義（3. 5） （3. 6）壓電方程組也表明存在極化方向（電位差方向）與外力方向不平行的情況。正壓電效應(yīng)中，如果所生成的電位差方向與壓力或拉力方向一致，即為縱向壓電效應(yīng)（longitudinal piezoelectric effect）。正壓電效應(yīng)中，如所生成的電位差方向與壓力或拉力方向

9、垂直時(shí)，即為橫向壓電效應(yīng)（transverse piezoelectric effect）。在正壓電效應(yīng)中，如果在一定的方向上施加的是切應(yīng)力，而在某方向上會(huì)生成電位差，則稱(chēng)為切向壓電效應(yīng)（tangential piezoelectric effect）。逆壓電效應(yīng)也有類(lèi)似情況。§3.1.2 壓電材料 迄今已出現(xiàn)的壓電材料可分為三大類(lèi)：一是壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷；三是新型壓電材料，其中有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。 在傳感器技術(shù)中，目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鈦酸鉛系列壓電陶瓷。擇要介紹如下：

10、67;3.1.2.1 壓電晶體 由晶體學(xué)可知，無(wú)對(duì)稱(chēng)中心的晶體，通常具有壓電性。具有壓電性的單晶體統(tǒng)稱(chēng)為壓電晶體。石英晶體（圖3-3）是最典型而常用的壓電晶體。1 石英晶體（SiO2）圖3-3石英晶體坐標(biāo)系圖3-4密斯諾石英晶體模型 石英晶體俗稱(chēng)水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點(diǎn)為573，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系的石英。其外形如圖3-3所示，呈六角棱柱體。密斯諾(Mcissner.A)所提出的石英晶體模型，如圖3-4所示，硅離子和氧離子配置在六棱柱的晶格上，圖中較大的圓表示硅離子，較小的圓相當(dāng)于氧離子。硅離子按螺旋線(xiàn)的方向排列，螺旋線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)方向取決于所采用的是光學(xué)右旋石英，還是

11、左旋石英。圖中所示為左旋石英晶體（它與右旋石英晶體的結(jié)構(gòu)成鏡象對(duì)稱(chēng)，壓電效應(yīng)極性相反）。硅離子2比硅離子1的位置較深，而硅離子3又比硅離子2的位置較深。在討論晶體機(jī)電特性時(shí)，采用xyz右手直角坐標(biāo)較方便，并統(tǒng)一規(guī)定：x軸稱(chēng)之為電軸，它穿過(guò)六棱柱的棱線(xiàn)，在垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)；y軸垂直m面，稱(chēng)之為機(jī)軸，在電場(chǎng)的作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯；z軸稱(chēng)之為光軸，也叫中性軸，光線(xiàn)沿該軸通過(guò)石英晶體時(shí)，無(wú)折射，沿z軸方向上沒(méi)有壓電效應(yīng)。 壓電石英的主要性能特點(diǎn)是：（1）壓電常數(shù)小，其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好，常溫下幾乎不變，在20200范圍內(nèi)其溫度變化率僅為/；（2）機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，許用應(yīng)

12、力高達(dá)（）×107Pa，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；（3）居里點(diǎn)573，無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。 為了直觀(guān)地了解其壓電效應(yīng)，將一個(gè)單元中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于Z軸的XY平面上投影，等效為圖3-5（a）中的正六邊形排列。圖中“（+）”代表Si4+，“（-）”代表O2-。 (a) (b) （c）圖3-5石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖當(dāng)石英晶體未受外力時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和O2-）正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)大小相等、互成120°夾角的電偶極矩P1、P2和P

13、3，如圖3-5（a）所示。P=ql，q為電荷量，l為正、負(fù)電荷之間的距離。電偶極矩方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷。此時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0。這時(shí)晶體表面不產(chǎn)生電荷，整體上說(shuō)它呈電中性。 當(dāng)石英晶體受到沿X方向的壓力FX作用時(shí)，將產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之變動(dòng)，正、負(fù)電荷中心不再重合，如圖3-5（b）所示。電偶極矩在X方向的分量為（P1+P2+P3）X>0，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷。而在Y軸和Z軸方向的分量均為零，即（P1+P2+P3）Y=0, （P1+P2+P3）Z=0，在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。這種沿X軸施

14、加壓力FX，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”。 當(dāng)石英晶體受到沿Y軸方向的壓力FY作用時(shí)，晶體如圖3-5（c）所示變形。電偶極矩在X軸方向上的分量（P1+P2+P3）X<0，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。同樣，在垂直于Y軸和Z軸的晶面上不出現(xiàn)電荷。這種沿Y軸施加壓力FY,而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”。 當(dāng)晶體受到沿Z軸方向的力(無(wú)論是壓力或拉力)作用時(shí)，因?yàn)榫w在X方向和Y軸方向的變形相同，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X，Y方向的分量等于零。所以，沿光軸方向施加力，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 需要指出的是，上述討論均假

15、設(shè)晶體沿X軸和Y軸方向受到了壓力，當(dāng)晶體沿X軸和Y軸方向受到拉力作用時(shí)，同樣有壓電效應(yīng)，只是電荷的極性將隨之改變。 石英晶體的獨(dú)立壓電系數(shù)只有d11和d14，其壓電常數(shù)矩陣為 （3. 7）式中 d11 ×10-12C/N； d14 ×10-12C/N。其中，d12= - d11為橫向壓電系數(shù)，d25= - d14為面剪切壓電系數(shù)，d26= -2 d14為厚度剪切壓電系數(shù)。 2其他壓電單晶 在壓電單晶中除天然和人工石英晶體外，鉀鹽類(lèi)壓電和鐵電單晶如鉛酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）、鍺酸鋰（LiGeO3）、鎵酸鋰（LiGaO3）和鍺酸秘（Bi12GeO20）等材料

16、，近年來(lái)已在傳感器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用，其中以鉛酸鋰為典型代表。 鉛酸鋰是一種無(wú)色或淺黃色透明鐵電晶體。從結(jié)構(gòu)看，它是一種多疇單晶。它必須通過(guò)極化處理后才能成為單疇單晶，從而呈現(xiàn)出類(lèi)似單晶體的特點(diǎn)，即機(jī)械性能各向異性。它的時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高達(dá)1200，在高溫、強(qiáng)輻射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，它還具有良好的光電、聲光效應(yīng)，因此在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。§3.1.2.2 壓電陶瓷1942年，第一個(gè)壓電陶瓷材料鈦酸鋇先后在美國(guó)、前蘇聯(lián)和日本制成。1947年，鈦酸鋇

17、拾音器第一個(gè)壓電陶瓷器件誕生了。50年代初，又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料鋯鈦酸鉛研制成功。從此，壓電陶瓷的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。60年代到70年代，壓電陶瓷不斷改進(jìn)，日趨完美。如用多種元素改進(jìn)的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運(yùn)而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用廣泛。左 中 右圖3-6壓電陶瓷的極化壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶壓電材料。所謂“多晶”，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成；每個(gè)單晶形成單個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性（如圖3-6所示）。要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定

18、溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場(chǎng)，迫使“電疇”趨向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列如圖3-6（中）；極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性如圖3-6（右）。 壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高。壓電陶瓷除有壓電性外，還具有熱釋電性，這會(huì)給壓電傳感器造成熱干擾，降低穩(wěn)定性。所以，對(duì)要求高穩(wěn)定性的傳感器場(chǎng)合，壓電陶瓷的應(yīng)用受到限制。 傳感器技術(shù)中應(yīng)用的壓電陶瓷，按其組成元素可分為： （1）二元系壓電陶瓷 以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣。 （2）三元系壓電陶瓷 目前應(yīng)用的有PMN，它由鈮鎂酸鉛Pb（Mg13Nb2/3）O3、鈦酸鉛PbTiO3、鋯鈦酸鉛PbZrO3三種成分配

19、比而成。另外還有專(zhuān)門(mén)制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系列、鎂碲酸鉛、銻鈮酸鉛等。圖3-7壓電陶瓷坐標(biāo)系壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣為（3. 8）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)比石英晶體的強(qiáng)數(shù)十倍。對(duì)石英晶體，長(zhǎng)寬切變壓電效應(yīng)最差，故很少取用；對(duì)壓電陶瓷，厚度切變壓電效應(yīng)最好，應(yīng)盡量取用；對(duì)三維空間力場(chǎng)的測(cè)量，壓電陶瓷的體積壓縮壓電效應(yīng)顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性。但是，石英晶體溫度與時(shí)間的穩(wěn)定性以及材料之間的一致性遠(yuǎn)優(yōu)于壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數(shù)有： （1）壓電常數(shù) 是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 （2）彈性常數(shù) 壓電材料的彈性常數(shù)（剛度）決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 （3

20、）介電常數(shù) 對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 （4）機(jī)電耦合系數(shù) 它定義為：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出的能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根。它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 （5）電阻 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn) 即壓電材料開(kāi)始喪失壓電性的溫度。常用壓電晶體和陶瓷材料的主要性能列于表3-1。表3-1常用壓電晶體和陶瓷材料的主要性能參 數(shù)石 英鈦酸鋇鋯鈦酸鉛PZT-4鋯鈦酸鉛PZT-5鋯鈦酸鉛PZT-8壓電常數(shù)，pCNd11d14d33=190d31=-7

21、8d15=250d33=200d31=-100d15=410d33=415d31=-185d15=670d33=200d31=-90d15=410相對(duì)介電常數(shù)，r1200105021001000居里溫度點(diǎn)573115310260300最高使用溫度5508025025025010-3·密度（kg·m-3）10-9·彈性模量（N·m-2）80110117123機(jī)械品質(zhì)因數(shù)1051065008080010-5·最大安全應(yīng)力（N·m-2）9510081767683體積電阻率（·m）>10121010*>10101011最

22、高允許相對(duì)濕度（）100100100100* 在25 以下 §3.1.2.3 新型壓電材料 1壓電半導(dǎo)體 1968年以來(lái)出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體如硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）、氧化鋅（ZnO）、硫化鎘（CdS）、碲化鋅（ZnTe）和砷化嫁（GaAs）等。這些材料的顯著特點(diǎn)是：既具有壓電特性，又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以?xún)烧呓Y(jié)合，集元件與線(xiàn)路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)。 2有機(jī)高分子壓電材料 其一，是某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）

23、、聚氯乙烯（PVC）、聚r甲基L谷氨酸脂（PMG）和尼龍11等。這些材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟，抗拉強(qiáng)度較高、蠕變小、耐沖擊，體電阻達(dá)1012·m，擊穿強(qiáng)度為150200kVmm，聲阻抗近于水和生物體含水組織，熱釋電性和熱穩(wěn)定性好，且便于批生產(chǎn)和大面積使用，可制成大面積陣列傳感器乃至人工皮膚。 其二，是高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。這種復(fù)合壓電材料同樣既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電性和機(jī)電耦合系數(shù)。§3.1.3 壓電振子 逆壓電效應(yīng)可以使壓電體振動(dòng)，可以構(gòu)成超聲波換能器、微量天平、慣性傳感器以及聲表面波傳感器等等。逆

24、壓電效應(yīng)可以產(chǎn)生微位移，也在光電傳感器中作為精密微調(diào)環(huán)節(jié)。要使壓電體中的某種振動(dòng)模式能被外電場(chǎng)激發(fā)，首先要有適當(dāng)?shù)臋C(jī)電耦合途徑把電場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成與該種振動(dòng)模式相對(duì)應(yīng)的彈性能。當(dāng)在壓電體的某一方向上加電場(chǎng)時(shí)，可從與該方向相對(duì)應(yīng)的非零壓電系數(shù)來(lái)判斷何種振動(dòng)方式有可能被激發(fā)。例如， 對(duì)于經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷，一共有三個(gè)非零的壓電系數(shù)：d31=d32=d33，d15=d24。因此若沿極化軸Z方向加電場(chǎng)，則通過(guò)d33的耦合在Z方向上激發(fā)縱向振動(dòng)，并通過(guò)d31和d32在垂直于極化方向的X軸和Y軸上激發(fā)起相應(yīng)的橫向振動(dòng)。而在垂直于極化方向的X軸或Y軸上加電場(chǎng)，則通過(guò)d15和d24激發(fā)起繞Y軸或X軸的剪切振動(dòng)。

25、壓電常數(shù)的18個(gè)分量能激發(fā)的振動(dòng)可分成四大類(lèi)，如圖3-8所示，它們是：（1）垂直于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)，用LE(Lensth expansion)表示；（2）平行于電場(chǎng)方向的伸縮振動(dòng)，用TE(Thickness expansion) 表示；（3）垂直于電場(chǎng)平面內(nèi)的剪切振動(dòng)，用FS(Face shear) 表示；（4）平行于電場(chǎng)平面內(nèi)的剪切振動(dòng)，用TS(Thickness shear)表示。圖3-8四種壓電振動(dòng)模式按照粒子振動(dòng)時(shí)的速度方向與彈性波的傳播方向，這些由壓電效應(yīng)激發(fā)的振動(dòng)可分縱波與橫波兩大類(lèi)。前者粒子振動(dòng)的速度方向與彈性波的傳播方向平行，而后者則互相垂直。按照外加電場(chǎng)與彈性被傳播方向間的

26、關(guān)系，壓電振動(dòng)又可分為縱向效應(yīng)與橫向效應(yīng)兩大類(lèi)。當(dāng)彈性波的傳播方向平行于電場(chǎng)方向時(shí)為縱向效應(yīng)，而二者互相垂直時(shí)為橫向效應(yīng)。壓電體中能被外電場(chǎng)激發(fā)的振動(dòng)模式還和壓電體的形狀尺寸有著密切的關(guān)系。壓電體的形狀應(yīng)該有利于所需振動(dòng)模式的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 §3.2 壓電傳感器等效電路和測(cè)量電路 §3.2.1 等效電路 壓電振子在其諧振頻率附近的阻抗頻率特性可近似地用一個(gè)等效電路來(lái)描述。圖3-9是常用的一種等效電路及其阻抗特性的示意圖，其個(gè)C0表示振子在高頻下的等效電容。出L1、C1和R1構(gòu)成的串聯(lián)諧振電路，用電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能之間的相互轉(zhuǎn)換，模擬了壓電振子中通過(guò)正、逆壓電效應(yīng)所作的電能與彈性

27、能之間的相互轉(zhuǎn)換，其中L1為動(dòng)態(tài)電感，C1稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電容，R1稱(chēng)為機(jī)械阻尼電阻。等效電路中C0、C1、L1、R1的數(shù)值可通過(guò)測(cè)量振子的阻抗頻率特性求得，也可通過(guò)計(jì)算，直接與壓電材料的物理常數(shù)和振子的幾何尺寸聯(lián)系起來(lái)。圖3-9（b）中，fs為串聯(lián)諧振頻率。fp為并聯(lián)諧振頻率。 （a）等效電路（b）導(dǎo)納-頻率特性圖3-9壓電振子的等效電路與阻抗特性在低頻應(yīng)用時(shí)，L1=0，R1=0，從功能上講，壓電器件實(shí)際上是一個(gè)電荷發(fā)生器。圖3-10壓電器件的理想等效電路（a）電壓源（b）電荷源 設(shè)壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)為r，極化面積為A，兩極面間距離（壓電片厚度）為t，如圖3-10所示。這樣又可將壓電器件視為具有

28、電容Ca的電容器，且有（3. 9）因此，從性質(zhì)上講，壓電器件實(shí)質(zhì)上又是一個(gè)有源電容器，通常其絕緣電阻Ra1010。 當(dāng)需要壓電器件輸出電壓時(shí)，可把它等效成一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源，如圖3-10（a）所示。在開(kāi)路狀態(tài)，其輸出端電壓和電壓靈敏度分別為（3. 10） （3. 11）式中 F作用在壓電器件上的外力。當(dāng)需要壓電器件輸出電荷時(shí)，則可把它等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖3-10（b）所示。同樣，在開(kāi)路狀態(tài)，輸出端電荷為 （3. 12）式中Ua即極板電荷形成的電壓。這時(shí)的輸出電荷靈敏度為（3. 13） 顯然Ku與Kq之間有如下關(guān)系（3. 14）必須指出，上述等效電路及其輸出，只有在壓電器件本

29、身理想絕緣、無(wú)泄漏、輸出端開(kāi)路（即）條件下才成立。在構(gòu)成傳感器時(shí)，總要利用電纜將壓電器件接人測(cè)量線(xiàn)路或儀器。這樣，就引人了電纜的分布電容Cc，測(cè)量放大器的輸入電阻Ri和電容Ci等形成的負(fù)載阻抗影響；加之考慮壓電器件并非理想元件，它內(nèi)部存在泄漏電阻Ra，則由壓電器件構(gòu)成傳感器的實(shí)際等效電路如圖3-11所示。 （a）電壓源（b）電荷源圖3-11壓電傳感器等效電路和測(cè)量電路§3.2.2 測(cè)量電路 壓電器件既然是一個(gè)有源電容器，就必然存在與電容傳感器相同的應(yīng)用弱點(diǎn)高內(nèi)阻、小功率問(wèn)題，必須進(jìn)行前置放大，前置阻抗變換。壓電傳感器的測(cè)量電路有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。 §3.2.

30、2.1 電壓放大器 電壓放大器又稱(chēng)阻抗變換器。它的主要作用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。 l壓電輸出特性（即放大器輸入特性）將圖3-12（a）mm左部等效化簡(jiǎn)成為圖3-12（b）所示。由圖可得回路輸出（3. 15）式中 測(cè)量回路等效電阻； 測(cè)量回路等效電容； 壓電轉(zhuǎn)換角頻率。（a） （b）圖3-12電壓放大器簡(jiǎn)化電路假設(shè)壓電器件取壓電常數(shù)為d33的壓電陶瓷，并在其極化方向上受有角頻率為的交變力FFmsint，則壓電器件的輸出（3. 16）代入式（）可得壓電回路輸出特性和電壓靈敏度分別為（3. 17） （3. 18） 其幅值和相位分別為（3.

31、19） （3. 20） 2動(dòng)態(tài)特性 這里著重討論動(dòng)態(tài)條件下壓電回路實(shí)際輸出電壓靈敏度相對(duì)理想情況下的偏離程度，即幅頻特性。所謂理想情況是指回路等效電阻（即），電荷無(wú)泄漏。這樣由式（）可得理想情況的電壓靈敏度（3. 21）可見(jiàn)，它只與回路等效電容C有關(guān)，而與被測(cè)量的變化頻率無(wú)關(guān)。因此，由式（）與式（）比較得相對(duì)電壓靈敏度（3. 22）上式中1測(cè)量回路角頻率；即測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)。圖3-13壓電器件與測(cè)量電路相聯(lián)的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)由式（）和式（3.20）作出的特性曲線(xiàn)示于圖3-13。由圖不難分析： （1）高頻特性 當(dāng)>>1，即測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定，而被測(cè)量頻率愈高（實(shí)際只要3，則回路的輸出電

32、壓靈敏度就愈接近理想情況。這表明，壓電器件的高頻響應(yīng)特性好。 （2）低頻特性 當(dāng)<<1，即定，而被測(cè)量的頻率愈低時(shí)，電壓靈敏度愈偏離理想情況，同時(shí)相位角的誤差也愈大。由于采用電壓放大器的壓電傳感器，其輸出電壓靈敏度受電纜分布電容Cc的影響式，因此電纜的增長(zhǎng)或變動(dòng)，將使已標(biāo)定的靈敏度改變。圖3-14阻抗變換電路 §3.2.2.2 電荷放大器 1工作原理和輸出特性 電荷放大器的原理如圖3-15（b）所示。它的特點(diǎn)是，能把壓電器件高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并使其輸出電壓與輸入電荷成正比，而且，傳感器的靈敏度不受電纜變化的影響。 圖中電荷放大級(jí)又稱(chēng)

33、電荷變換級(jí)。輸入電容C是輸入并聯(lián)電容的總合，Cf負(fù)反饋電容。放大器的輸出（3. 23）通常放大器開(kāi)環(huán)增益A104106，因此（1A）Cf>>C（一般取 ACf10C即可），則有（3. 24）上式表明，電荷放大器輸出電壓與輸入電荷及反饋電容有關(guān)。只要Cf恒定，就可實(shí)現(xiàn)回路輸出電壓與輸人電荷成正比，相位差。 （3. 25）輸出靈敏度只與反饋電容有關(guān)，而與電纜電容無(wú)關(guān)。根據(jù)式（），電荷放大器的靈敏度調(diào)節(jié)可采用切換Cf的辦法，通常Cf10010000pF。在Cf的兩端并聯(lián)Rf10101014，可以提高直流負(fù)反饋，以減小零漂，提高工作穩(wěn)定性。電荷放大器的具體線(xiàn)路見(jiàn)圖3-15。圖中包括電荷放大

34、部分和電壓放大部分。在低頻測(cè)量時(shí)，第一級(jí)放大器，即電荷放大器，的閃爍噪聲（1/f噪聲）就突出出來(lái)。電荷放大器的輸入噪聲Vni與經(jīng)同相放大計(jì)算后的輸出噪聲Vno可按下式計(jì)算 （3. 26）電荷放大器輸出端信噪比RSN為（3. 27）由()可知，提高信噪比的有效措施是減小反饋電容Cf。但是電荷放大器的低頻下限受Rf·Cf乘積的影響，過(guò)大的Rf工藝上難于實(shí)現(xiàn)。對(duì)電荷放大器設(shè)計(jì)時(shí)，要充分重視構(gòu)成電荷放大器的運(yùn)算放大器。它們應(yīng)有低的偏置輸入電壓、低的偏流以及低的失調(diào)漂移等性能。工藝上，因?yàn)榧词购苄〉穆╇婋娏鬟M(jìn)入電荷放大器也會(huì)產(chǎn)生誤差，所以，輸入部分要用聚四氟乙烯支架等絕緣子進(jìn)行特殊絕緣。圖中R

35、f阻值很大，不宜實(shí)現(xiàn)。可用圖3-16電路實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器A等電路提供了直流負(fù)反饋。圖3-16電荷放大器的具體線(xiàn)路舉例圖3-17解決大電阻直流負(fù)反饋工藝難點(diǎn)的一種方法 2高、低頻限 電荷放大器的高頻上限主要取決于壓電器件的Ca和電纜的Cc與Rc：（3. 28）由于Ca、Cc、Rc通常都很小，因此高頻上限fH可高達(dá)180kHz。 電荷放大器的低頻下限，由于A(yíng)相當(dāng)大，通常（1A）Cf>>C，Rf/（1A）<<Rf，因此只取決于反饋回路參數(shù)Rf、Cf：（3. 29）它與電纜電容無(wú)關(guān)。由于運(yùn)算放大器的時(shí)間常數(shù)RfCf可做得很大，因此電荷放大器的低頻下限fL可低達(dá)10-110-4H

36、z（準(zhǔn)靜態(tài)）。§3.2.2.3 諧振電路 1工作原理壓電諧振器的工作是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，利用壓電效應(yīng)可將電極的輸入電壓轉(zhuǎn)換成振子中的機(jī)械應(yīng)力(反壓電效應(yīng))，反之在機(jī)械應(yīng)力的作用下，振子發(fā)生變形在電極上產(chǎn)生輸出電荷(正壓電效應(yīng))。壓電變換器的可逆性使我們把它視為二端網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖3-17），從這兩端既可輸入電激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，又可取出與振幅成正比的電信號(hào)。在其輸入端加頻率為交變電壓，把電極回路中電流看為特征量，那么諧振器可以用與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗Z=U/I表示。接近諧振頻率時(shí)，Z|值最小，通過(guò)諧振器的電流最大。對(duì)具體的壓電諧振器來(lái)說(shuō)，由于壓電效應(yīng)，只有在某些機(jī)械振動(dòng)固有頻率上才可以被電

37、激勵(lì)。偏離諧振頻率時(shí)，激勵(lì)電極回路中的電流變小，它基本上由極間電容所確定。當(dāng)激勵(lì)電壓的頻率接近于壓電諧振器的某一諧振頻率s時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的振幅加大，并且在該頻率上達(dá)到最大值。電極上的電荷也按比例地增加，電荷Q的極性隨輸入信號(hào)的頻率而改變因此流過(guò)壓電元件的是正比于機(jī)械振動(dòng)動(dòng)幅值的交變電流。（3. 30）圖3-18壓電自激振蕩器（a）壓電自激振蕩器結(jié)構(gòu)； （b）等效電路；為了產(chǎn)生不間斷的等幅振蕩閉環(huán)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足如下兩個(gè)條件： (1)相位條件： 當(dāng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的傳輸系數(shù)為實(shí)數(shù)時(shí)，也就是放大器和諧振器的總相移等于或整數(shù)倍于2時(shí)，閉環(huán)回路中發(fā)生自激振蕩。在這種情況下，放大器在自振頻率下實(shí)現(xiàn)正反饋。 (2)幅值

38、條件：振動(dòng)頻率滿(mǎn)足關(guān)系。2 電路舉例圖3-18為電容三點(diǎn)式壓電體振蕩電路，由場(chǎng)效應(yīng)晶體管和結(jié)型晶體管構(gòu)成，電容C可在10500pF范圍內(nèi)調(diào)整。圖3-19所示電路由TTL反相器構(gòu)成。圖3-20所示電路將壓電體的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極分開(kāi)，電極有公共接地點(diǎn)，便于屏蔽。該電路適用于聲表面波壓電傳感器。圖3-19電容三點(diǎn)式壓電體振蕩電路圖3-20由TTL邏輯電路構(gòu)成的振蕩電路圖3-21驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極分開(kāi)的壓電振動(dòng)傳感電路被檢測(cè)量的變化所引起的壓電元件諧振頻率偏移比原頻率要小得多。這時(shí)需要檢測(cè)出頻率偏移量，而不是總頻率。圖3-21中利用二極管的非線(xiàn)性原理的頻差檢測(cè)電路。低通濾波器將f1、f2、f1+f2頻率成分

39、以及倍頻成分濾除，只允許 |f1-f2 | 差頻成分通過(guò)。圖3-22頻率差檢測(cè)出電路 §3.3 壓電式傳感器及其應(yīng)用 廣義地講，凡是利用壓電材料各種物理效應(yīng)構(gòu)成的種類(lèi)繁多的傳感器，都可稱(chēng)為壓電式傳感器。迄今它們?cè)诠I(yè)、軍事和民用各個(gè)方面均已付諸應(yīng)用。 §3.3.1 壓電式加速度傳感器 §3.3.1.1 結(jié)構(gòu)類(lèi)型 目前壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)型式主要有壓縮型、剪切型和復(fù)合型三種。這里介紹前兩種。 1壓縮型 圖3-22所示為常用的壓縮型壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)；壓電元件選用d11和d33形式。圖3-23壓縮型壓電加速度傳感器（a）正裝中心壓縮式；（b）隔離基座壓縮式； （c

40、）倒裝中心壓縮式；（d）隔離預(yù)載簡(jiǎn)筒壓縮式1殼體；2預(yù)緊螺母；3質(zhì)量塊；4壓電元件；5基座；6引線(xiàn)接頭；7預(yù)緊筒圖3-22（a）正裝中心壓縮式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，質(zhì)量塊和彈性元件通過(guò)中心螺栓固緊在基座上形成獨(dú)立的體系，以與易受非振動(dòng)環(huán)境干擾的殼體分開(kāi)，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定，頻響好，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。但基座的機(jī)械和熱應(yīng)變?nèi)杂杏绊?。為此，設(shè)計(jì)出改進(jìn)型如圖3-22（b）所示的隔離基座壓縮式，和圖3-22（c）的倒裝中心壓縮式。圖3-22（d）是一種雙筒雙屏蔽新穎結(jié)構(gòu)，它除外殼起屏蔽作用外，內(nèi)預(yù)緊套筒也起內(nèi)屏蔽作用。由于預(yù)緊筒橫向剛度大，大大提高了傳感器的綜合剛度和橫向抗干擾能力，改善了特性。這種結(jié)構(gòu)還在基

41、座上設(shè)有應(yīng)力槽，可起到隔離基座機(jī)械和熱應(yīng)變干擾的作用，不失為一種采取綜合抗干擾措施的好設(shè)計(jì)，但工藝較復(fù)雜。 2剪切型表3-2 壓縮型與剪切型壓電加速度傳感器性能比較形式/性能最大橫向靈敏度/%基座應(yīng)變靈敏度/瞬變溫度靈敏度/聲靈敏度/磁場(chǎng)靈敏度/4335壓縮式<4（個(gè)別值）214396剪切式<4（最大值） 由表3-2所列壓電元件的基本變形方式可知，剪切壓電效應(yīng)以壓電陶瓷為佳，理論上不受橫向應(yīng)變等干擾和無(wú)熱釋電輸出（見(jiàn)表3-2）。因此剪切型壓電傳感器多采用極化壓電陶瓷作為壓電轉(zhuǎn)換元件。圖3-23示出了幾種典型的剪切型壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)。圖3-23（a）為中空?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)。其中柱狀壓電

42、陶瓷可取兩種極化方案，如圖3-23（b）：一是取軸向極化， d24為剪切壓電效應(yīng)，電荷從內(nèi)外表面引出；一是取經(jīng)向極化，d15為剪切壓電效應(yīng)，電荷從上下端面引出。剪切型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕小，靈敏度高。存在的問(wèn)題是壓電元件作用面（結(jié)合面）需通過(guò)粘結(jié)（d24方案需用導(dǎo)電膠粘結(jié)），裝配困難，且不耐高溫和大載荷。圖3-24剪切型壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)（a） 中空柱形；（b）兩種極化；（c）扁環(huán)形；（d）三角形；（e）H型1殼體；2質(zhì)量塊；3壓電元件；4基座；5引線(xiàn)接頭；6預(yù)緊筒 圖3-23（c）為扁環(huán)形結(jié)構(gòu)。它除上述中空?qǐng)A柱形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，還可當(dāng)作墊圈一樣在有限的空間使用。 圖3-23（d）為三角剪切式新穎結(jié)

43、構(gòu)。三塊壓電片和扇形質(zhì)量塊呈等三角空間分布，由預(yù)緊筒固緊在三角中心柱上，取消了膠結(jié)，改善了線(xiàn)性和溫度特性，但材料的匹配和制作工藝要求高。圖3-23（e）為H形結(jié)構(gòu)。左右壓電組件通過(guò)橫螺栓固緊在中心立柱上。它綜合了上述各種剪切式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有更好的靜態(tài)特性，更高的信噪比和寬的高低頻特性，裝配也方便。橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)的指標(biāo)。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，而對(duì)橫向作用力不敏感。如對(duì)于壓縮式壓電傳感器，就要求壓電元件的敏感軸（電極向）與傳感器軸線(xiàn)（受力向）完全一致。但實(shí)際的壓電傳感器由于壓電切片、極化方向的偏差，壓電片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及裝配、安

44、裝不精確等種種原因，都會(huì)造成如圖3-23所示的壓電傳感器電軸E向與力軸z向不重合。產(chǎn)生橫向靈敏度的必要條件：一是伴隨軸向作用力的同時(shí)，存在橫向力；二是壓電元件本身具有橫向壓電效應(yīng)。因此，消除橫向靈敏度的技術(shù)途徑也相應(yīng)有二：一是從設(shè)計(jì)、工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致；二是盡量采用剪切型力電轉(zhuǎn)換方式。一只較好的壓電傳感器，最大橫向靈敏度不大于5。 §3.3.1.2壓電加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性 圖3-25壓電加速度傳感器的力學(xué)模型 我們以圖3-23（b）加速度傳感器為例，并把它簡(jiǎn)化成如圖3-24所示的“mkc”力學(xué)模型。其中：k為壓電器件的彈性系數(shù)，被測(cè)加速度為輸人。設(shè)質(zhì)量塊m的絕對(duì)位移為

45、xa，質(zhì)量塊對(duì)殼體的相對(duì)位移yxax為傳感器的輸出。由此列出質(zhì)量塊的動(dòng)力學(xué)方程（3. 31）或整理成（3. 32）這是一典型的二階系統(tǒng)方程，其對(duì)位移響應(yīng)的傳遞函數(shù)、幅頻和相頻特性，可參閱概論篇“傳感器典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)”內(nèi)容描述。幅頻特性為 （3. 33）在此式中，；而K則為靜態(tài)靈敏度，等于靜態(tài)輸出與輸人之比；由靜態(tài)時(shí)方程kyma得 （3. 34）代入式（3）可得系統(tǒng)對(duì)加速度響應(yīng)的幅頻特性（3. 35）式中為表征二階系統(tǒng)固有特性的幅頻特性。 由于質(zhì)量塊相對(duì)振動(dòng)體的位移y即是壓電器件（設(shè)壓電常數(shù)為d33）受慣性力F作用后產(chǎn)生的變形，在其線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)有Fky。由此產(chǎn)生的壓電效應(yīng) （3. 36）將

46、上式代入式（5）即得壓電加速度傳感器的電荷靈敏度幅頻特性為 （3. 37）若考慮傳感器接入兩種測(cè)量電路的情況： （1）接入反饋電容為Cf的高增益電荷放大器，由式（3-24）、（3-35）得帶電荷放大器的壓電加速度傳感器的幅頻特性為（3. 38） （2）接入增益為A，回路等效電阻和電容分別為R和C的電壓放大器后，由式（3-19）可得放大器的輸出為（3. 39）（3. 40）為由電壓放大器回路角頻率1決定的，表征回路固有特性的幅頻特性。由式（3-40）和式（3-38）不難得到，帶電壓放大器的壓電加速度傳感器的幅頻特性為（3. 41）由式（3-41）描繪的相對(duì)頻率特性曲線(xiàn)如圖3-25所示。圖3-26

47、壓電加速度傳感器的幅頻特性 綜上所述： （1）由圖3-25可知，當(dāng)壓電加速度傳感器處于（/n）<<1，即A（n）1時(shí)，可得到靈敏度不隨而變的線(xiàn)性輸出，這時(shí)按式（3-37）和式（3-38）得傳感器的靈敏度近似為一常數(shù) （傳感器本身）（3. 42）或 （帶電荷放大器）（3. 43）這是我們所希望的；通常取n（35）。 （2）由式（3-41）知，配電壓放大器的加速度傳感器特性由低頻特性A（1）和高頻特性A（n）組成。高頻特性由傳感器機(jī)械系統(tǒng)固有特性所決定；低頻特性由電回路的時(shí)間常數(shù)所決定。只有當(dāng)/n<<1和1/<<1（即1<<<<n）時(shí)，傳

48、感器的靈敏度為常數(shù) （3. 44）滿(mǎn)足此線(xiàn)性輸出之上述條件的合理參數(shù)選擇，見(jiàn)上節(jié)分析，否則將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)幅值誤差：高頻段 （3. 45）低頻段 （3. 46） 此外，在測(cè)量具有多種頻率成分的復(fù)合振動(dòng)時(shí)，還受到相位誤差的限制。 §3.3.2 壓電式力傳感器 壓電式測(cè)力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓場(chǎng)合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件。它剛度大，測(cè)量范圍寬，線(xiàn)性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)采用大時(shí)間常數(shù)的電荷放大器時(shí)，可測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測(cè)力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本一樣。圖3-26為單向壓縮式壓電力傳感器。兩敏感晶片同極性對(duì)接，信號(hào)電荷

49、提高一倍，晶片與殼體絕緣問(wèn)題得到較好解決。圖3-27單向壓縮式壓電力傳感器 壓電式力傳感器的工作原理和特性與壓電式加速度傳感器基本相同。以單向力Fz作用為例，仍可由述的典型二階系統(tǒng)加以描。參照式（3. 47）代入Fzma，即可得單向壓縮式壓電力傳感器的電荷靈敏度幅頻特性（3. 48）可見(jiàn)，當(dāng)（/n）<<1（即<<n）時(shí)，上式變?yōu)?或 （3. 49）這時(shí)，力傳感器的輸出電荷Q與被測(cè)力Fz成正比。 §3.3.3壓電角速度陀螺 利用壓電體的諧振特性，可以組成壓電體諧振式傳感器。壓電晶體本身有其固有的振動(dòng)頻率，當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與它的固有振動(dòng)頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振。各種

50、不同類(lèi)型的壓電諧振傳感器按其調(diào)制諧振器參數(shù)的效應(yīng)或機(jī)理可以歸納為下列幾種：1應(yīng)變敏感型壓電諧振傳感器 在這類(lèi)傳感器中，被測(cè)量直接或間接地引起壓電元件的機(jī)械變形。通過(guò)壓電諧振器的應(yīng)變敏感性來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的轉(zhuǎn)換。 2熱敏型壓電諧振傳感器 在這類(lèi)傳感器中，被測(cè)量直接或間接地影響壓電元件的平均溫度，借壓電諧振器的熱敏感性實(shí)現(xiàn)參數(shù)的轉(zhuǎn)換。 3聲負(fù)載復(fù)阻抗Z)敏感型壓電諧振傳感器 在這類(lèi)裝置中，被測(cè)參數(shù)調(diào)制壓電元件振動(dòng)表面的超聲輻射條件。聲壓電諧振傳感器的工作機(jī)理被稱(chēng)為聲敏感性。4質(zhì)量敏感型壓電諧振傳感器 這類(lèi)傳感器應(yīng)用諧振器的參數(shù)與壓電元件表面連接物質(zhì)的質(zhì)量之間的關(guān)系，通過(guò)壓電諧振器的質(zhì)量敏感性來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的

51、轉(zhuǎn)換。5回轉(zhuǎn)敏感型壓電諧振傳感器，即壓電角速度陀螺。本節(jié)主要介紹其原理。 逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用也很廣泛?；谀鎵弘娦?yīng)的超聲波發(fā)生器（換能器）是超聲檢測(cè)技術(shù)及儀器的關(guān)鍵器件。這里介紹逆壓電效應(yīng)與正壓電效用的一個(gè)聯(lián)合應(yīng)用：壓電陀螺。壓電陀螺是利用晶體壓電效應(yīng)敏感角參量的一種新型微型固體慣性傳感器。壓電陀螺消除了傳統(tǒng)陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，故陀螺壽命取得了重大突破，MTBF達(dá)10000h以上。壓電陀螺最初是應(yīng)近程制導(dǎo)需求發(fā)展起來(lái)的。這里僅介紹振梁型壓電角速度陀螺。 振梁型壓電角速度陀螺的工作原理如圖6-34所示。這種陀螺的心藏元件是一根矩形振梁，振梁材料可以是恒彈性合金，也可以是石英或鈮酸鋰等晶體材料。在振梁

52、的四個(gè)面上貼上兩對(duì)壓電換能器，當(dāng)其中一對(duì)換能器（驅(qū)動(dòng)和反饋換能器)加上電信號(hào)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，梁產(chǎn)生基波彎曲振動(dòng)，即圖3-28振粱型壓電角速度陀螺的工作原理 （3. 50）式中X0是振動(dòng)的最大振幅，c是驅(qū)動(dòng)電壓的頻率。 上述振動(dòng)在垂直于驅(qū)動(dòng)平面的方向上產(chǎn)生線(xiàn)性動(dòng)量mV(V是質(zhì)點(diǎn)的線(xiàn)速度，m是質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量)。當(dāng)繞縱軸(Z軸)輸入角速度z時(shí)，在與驅(qū)動(dòng)平面垂直的讀出平平面內(nèi)產(chǎn)生慣性力（柯里奧利力）（3. 51）慣性力使讀出平面內(nèi)的一對(duì)換能器也產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，其振幅（3. 52）式中（3. 53）和分別是讀出平面的諧振頻率和機(jī)械品質(zhì)因素。 由于壓電效應(yīng)，慣性力在讀出平面內(nèi)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)使讀出面內(nèi)的壓電換能器產(chǎn)生電信號(hào)輸出。輸出電壓的量值決定于振幅Y(t)。由式（3.50）和1）可如，當(dāng)振梁、壓電換能器和驅(qū)動(dòng)電壓一定時(shí)，輸出電信號(hào)的大小僅與輸入角速度z的大小有關(guān)。圖3-29壓電陀螺的敏感器件結(jié)構(gòu) 壓電陀螺的敏感器件結(jié)構(gòu)如圖3-28所示。振梁尺寸根據(jù)使用要求確定，梁的驅(qū)動(dòng)諧振頻率和尺寸的關(guān)系：（3. 54）式中,是與振動(dòng)模式有關(guān)的常數(shù)；E是揚(yáng)氏彈性模量；l是梁的長(zhǎng)度，根據(jù)使用要求，可設(shè)計(jì)成30150mm；h是梁彎曲方向的厚度，根據(jù)使用要求，可設(shè)計(jì)成26mm；是梁的密度，g是重力加速度。§3.4 聲波傳感技術(shù)§3.4.1 SAW 傳感器§3.4.1.l