壓電式傳感器

1、浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 本章的主要內(nèi)容有本章的主要內(nèi)容有1.壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理；壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)原理；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；3.壓電式傳感器的典型應(yīng)用；壓電式傳感器的典型應(yīng)用；通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)掌握壓電式傳感器的性能特點(diǎn)通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)掌握壓電式傳感器的性能特點(diǎn)及其基本應(yīng)用方法。及其基本應(yīng)用方法。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院概述概述 壓電式傳感器是一種壓電式傳感器是一種自發(fā)電式自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)傳感器。它以某些電介質(zhì)的的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，為基礎(chǔ)，在外力作

2、用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。 壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。性高。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院

3、 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)） 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方一定方向向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)對(duì)其施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的的一定表面一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改狀態(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。變時(shí)，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力率相同；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而很時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失?？煨孤?、消失。5.15

4、.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)( (Piezoelectric-effect) )壓電效應(yīng)演示壓電效應(yīng)演示浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)）：）： 當(dāng)在電介質(zhì)的當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方一定方向向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。機(jī)械能機(jī)械能電能電能壓電效應(yīng)的可逆性壓電效應(yīng)的可逆性 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電材料在外力作用下產(chǎn)生的表面電荷常用壓電方程描壓電材料

5、在外力作用下產(chǎn)生的表面電荷常用壓電方程描述，為：述，為：式中，式中，qii面上的電荷密度面上的電荷密度( (Ccm2) )；Qii面上的總電面上的總電荷量（荷量（C C）；）； jj方向的應(yīng)力方向的應(yīng)力( (Ncm2) )；Fjj方向的作方向的作用力；用力；dij壓電常數(shù)壓電常數(shù)( (CN) )，( (i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6) )。 iijjiijjq dQ dF或浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院5.2 5.2 壓電材料的主要特性壓電材料的主要特性壓電材料主要特性壓電材料主要特性： 轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機(jī)械性能。壓電元件

6、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、剛度大，以期獲得寬的線(xiàn)性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。剛度大，以期獲得寬的線(xiàn)性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。 時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 壓

7、電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體壓電材料可以分為兩大類(lèi)：壓電晶體( (單晶體單晶體) )，壓電陶瓷，壓電陶瓷( (多晶體多晶體) )。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 （1 1）石英晶體）石英晶體 石英（石英（SiOSiO2 2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見(jiàn)，在由圖可見(jiàn)，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)壓電系數(shù)僅減少僅減少0.016

8、。但是當(dāng)?shù)降钱?dāng)?shù)?73時(shí)，它完全失去了壓電特性，這時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的就是它的居里點(diǎn)居里點(diǎn)。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：斜率：0.016/t石英的石英的d11系數(shù)系數(shù)相對(duì)于相對(duì)于20的的d11溫度變化特性溫度變化特性6543210100 200 300400 500 600t/相相對(duì)對(duì)介介電電常常數(shù)數(shù)居里居里點(diǎn)點(diǎn)石英在高溫下石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的溫度特性的溫度特性浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可

9、天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸Z ZZ Z稱(chēng)為稱(chēng)為光軸光軸；經(jīng)過(guò)正；經(jīng)過(guò)正六面體棱線(xiàn)，并垂直于光軸的六面體棱線(xiàn)，并垂直于光軸的X XX X軸稱(chēng)為軸稱(chēng)為電軸電軸( (electrical axis) ；與與X XX X軸和軸和Z ZZ Z軸同時(shí)垂直的軸同時(shí)垂直的Y YY Y軸（垂直于正六面體的棱面）軸（垂直于正六面體的棱面）稱(chēng)為稱(chēng)為機(jī)械軸機(jī)械軸。ZXY(a)(b)(a)理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)坐標(biāo)系系ZYX通常把沿電軸通常把沿電軸X XX X方向的力作方向的力作用下產(chǎn)生電荷的

10、壓電效應(yīng)稱(chēng)為用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)，而把沿機(jī)械軸械軸Y YY Y方向的力作用下產(chǎn)生方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓橫向壓電效應(yīng)電效應(yīng)”，沿光軸，沿光軸Z ZZ Z方向受方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.2 5.2 壓電材料和它的主要特性壓電材料和它的主要特性浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院石英晶體石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 從石英晶體上切下一片平行六面體從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片晶體切片，使它，使它的晶面分別平行于的晶面分

11、別平行于X X、Y Y、Z Z軸，如圖。并在垂直軸，如圖。并在垂直X X軸方向兩面軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。ZYXbl石英晶體切片石英晶體切片h雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院在晶體線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度在晶體線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度P PX X與應(yīng)力與應(yīng)力X X成正比，即成正比，即式中式中, FXX軸方向的作用力軸方向的作用力； d11壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶體不同，石英晶體d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長(zhǎng)度和寬度

12、。石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。1111XXXFPddlb 當(dāng)晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X X軸方向的壓縮應(yīng)力軸方向的壓縮應(yīng)力X作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形厚度變形, ,即即縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)（Thickness expansion) ，并發(fā)生極并發(fā)生極化現(xiàn)象化現(xiàn)象。XXqPlb式中式中 qX垂直于垂直于X X軸平面上的電荷。軸平面上的電荷。極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度PX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院將上兩式整理，得將上兩式整理，得XXFdq11式中式中 電極面間電容。電極面間電容。 XXXXXCFdCqU11tlbC

13、rX0其極間電壓為其極間電壓為F+q=dF浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 綜上所述，在綜上所述，在X軸方向施加壓力時(shí)，軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體左旋石英晶體的的X軸正向軸正向帶正電；如果作用力帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見(jiàn)圖現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見(jiàn)圖( (a) )、( (b) )。 FXFX+ + + + + + + +(a)(b)XX注：按前述坐標(biāo)系為左旋石英晶體，右旋石英晶體注：按前述坐標(biāo)系為左旋石英晶體，右旋石英晶體 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與左旋石英晶體成鏡像對(duì)稱(chēng)，壓電效果極性相反。與左旋石英晶

14、體成鏡像對(duì)稱(chēng)，壓電效果極性相反。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，則為如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，則為橫向橫向壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)（Transverse expansion)，其電荷仍在與，其電荷仍在與X X軸垂直平面上軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（c c）、（）、（d d），此時(shí)電荷的大小為），此時(shí)電荷的大小為 + + + + +(c)(d)FYFYXX根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱(chēng)條件根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱(chēng)條件：d11=d12，則上式為則上式為式中式中 h晶片厚度晶片厚度。 則其極間電壓為：則其極間電壓為： 11XYlqdFh

15、11XYXXXqFlUdCh C 1212XYYlblqdFdFhbh式中式中 d12石英晶體在石英晶體在Y Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖所示。石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖所示。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院如果在如果在Y Y軸方向施加電場(chǎng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在軸方向施加電場(chǎng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y Y軸方軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示或用應(yīng)變表示:XUtldl11XEdll11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（或應(yīng)變

16、）與電荷（或無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線(xiàn)性關(guān)系；電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線(xiàn)性關(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)；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。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于得

17、多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中?；蛞筝^高的傳感器中。 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。型。 (2)(2)水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體 屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 64H4H2 2O)O)，酒石酸乙，酒石

18、酸乙烯二銨烯二銨(C(C4 4H H4 4N N2 2O O6 6，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)EDT)EDT)，酒石酸二鉀，酒石酸二鉀(K(K2 2C C2 2H H4 4O O6 6H H2 2O O，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)DKT)DKT)，硫酸鋰，硫酸鋰(Li(Li2 2SOSO4 4H H2 2O)O)。屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀。屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀(KH(KH2 2POPO4 4，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)KDP)KDP)，磷酸二氫氨，磷酸二氫氨(NH(NH4 4H H2 2POPO4 4，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)ADP)ADP)，砷酸，砷酸二氫鉀二氫鉀(KH(KH2 2AsOAsO4 4，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)KDA)KDA)，砷酸二氫氨，砷酸

19、二氫氨(NH(NH4 4H H2 2AsOAsO4 4，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)ADA)ADA)。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 2.2.壓電陶瓷壓電陶瓷 （1)1) 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCOBaCO3 3）和二氧化鈦（和二氧化鈦（TiOTiO2 2）按按1 1：1 1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的5050倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120120），

20、溫度穩(wěn)定性和機(jī)械），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。強(qiáng)度不如石英晶體。 (2) (2) 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZTPZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶體PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300300以上，各項(xiàng)以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲一種或兩種其它微量元素（如

21、鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的得不同性能的PZTPZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極壓電陶瓷在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，如下圖

22、所示。變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，如下圖所示。伸長(zhǎng)直流電橋剩余伸長(zhǎng)剩余極化壓電陶瓷壓電陶瓷浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閷?duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閆軸。當(dāng)壓電軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于Z軸的表面上軸的表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，下左圖將會(huì)出現(xiàn)電荷，下左圖，其電荷量其電荷量q與作用力與作用力F成正成正比，即：比，即：q= dzzF ，下右圖為：，下右圖為：+ + +- - -+ + +- - -+ + +- - -YXZXYXZYAAFdAAFdq壓電陶瓷壓電陶瓷浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院

23、 由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在存在自發(fā)極化自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理而被迫取向排列。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷極化電荷是束縛電荷，而不是自由電，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放

24、電或充荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電電現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。 壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 (3) (3)壓電聚合物壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVFPVF2 2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄聚合物薄膜膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱(chēng)性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱(chēng)性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵

25、消不了的結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子和拉伸后可以使分子鏈軸鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓

26、電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料復(fù)合材料(PVF(PVF2 2PZT)PZT)。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器壓電式腳踏報(bào)警器浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 （4）壓電半導(dǎo)

27、體材料）壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnOZnO、CdS CdS 、ZnO ZnO 、CdTeCdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnOZnO作為表面聲波振蕩器的壓電作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電材料一般應(yīng)考慮以下主要特性：壓電材料一般應(yīng)考慮以下主要特性：1) 1) 具有較大的壓電常數(shù)。具有較大的壓電常數(shù)。2) 2) 壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)頻率。有振動(dòng)頻率。3) 3)

28、具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)。具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)。4) 4) 具有較高的居里點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工具有較高的居里點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工作溫度范圍。作溫度范圍。5) 5) 壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。各種壓電材料的比較各種壓電材料的比較 壓電材料的選用原則壓電材料的選用原則浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院受到受到x或或y方向的外力后，壓電元件在兩個(gè)方向的外力后，壓電元件在兩個(gè)表面積聚了正負(fù)電荷，壓電元件相當(dāng)于一表面積聚了正負(fù)電荷，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器：個(gè)電荷發(fā)生器：壓電材料是絕緣電阻很高的壓電材料是

29、絕緣電阻很高的材料，因此又可把壓電元件材料，因此又可把壓電元件看成一個(gè)電容器：看成一個(gè)電容器：aaaCFdCqU6.壓電式傳感器壓電式傳感器 6.2 6.2 測(cè)量電路測(cè)量電路 一、等效電路一、等效電路 0raSSChh QQ電極壓電晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院qCiaRiRaCaCaqCc 電荷等效電路：電荷等效電路：電荷源電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)與一個(gè)電容并聯(lián)aaCqU等效電路實(shí)際電路Ca：傳感器等效電容； Ra：泄露電阻Ri：放大器的輸入電阻； Ci：放大器的輸入電容； Cc：連接電纜電容6.壓電式傳感器壓電式傳感器 浙

30、江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 電壓等效電路：電壓等效電路：電壓源電壓源與一個(gè)電容串聯(lián)與一個(gè)電容串聯(lián)+-+-CaCiRiRaCaCcaaCqU等效電路等效電路實(shí)際電路實(shí)際電路6.壓電式傳感器壓電式傳感器 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院6.壓電式傳感器壓電式傳感器 6.2 6.2 測(cè)量電路測(cè)量電路 壓電式傳感器只有在外界負(fù)載無(wú)窮大、內(nèi)部無(wú)漏壓電式傳感器只有在外界負(fù)載無(wú)窮大、內(nèi)部無(wú)漏電時(shí)，受力后產(chǎn)生的電荷才能長(zhǎng)期保存。否則以時(shí)電時(shí)，受力后產(chǎn)生的電荷才能長(zhǎng)期保存。否則以時(shí)間常數(shù)（間常數(shù)（(Ra+ Ri )(Ca+Ci+Cc) )）按指數(shù)規(guī)律放電。）按指數(shù)規(guī)律放電。 為了提高時(shí)間常數(shù)

31、，需要增加為了提高時(shí)間常數(shù)，需要增加Ci或或Ri，但是增加但是增加Ci會(huì)使會(huì)使U U減小，所以一般增加減小，所以一般增加Ri 壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，本身內(nèi)阻很大，壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，本身內(nèi)阻很大，輸出的阻抗很高，不能直接顯示。輸出的阻抗很高，不能直接顯示。 通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗高輸入阻抗的前置的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。儀表中。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院前置放大器的作用有兩點(diǎn)前置放大器的作用有兩點(diǎn); ;其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；

32、其一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；其二是其二是放大放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式前置放大器電路有兩種形式: :一種是用電阻反饋的一種是用電阻反饋的電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入，其輸出電壓與輸入電壓電壓( (即傳感器的輸出即傳感器的輸出) )成正比成正比; ;另一種是用帶電容板反饋的另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大

33、器應(yīng)用日益廣泛。器應(yīng)用日益廣泛。6.2 6.2 測(cè)量電路測(cè)量電路 6.壓電式傳感器壓電式傳感器 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院1.1.電壓放大器電壓放大器（又叫阻抗變換器，將高阻抗輸出轉(zhuǎn)為低阻抗輸出）（又叫阻抗變換器，將高阻抗輸出轉(zhuǎn)為低阻抗輸出） UOCa+-CaCiRiRaCc AUOCa A等效為等效為+-UaRC電壓放大器電路電壓放大器電路 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院tFFmsinFm作用力的幅值作用力的幅值設(shè)壓電元件所受作用力設(shè)壓電元件所受作用力圖（圖（b b）中，等效電阻）中，等效電阻R R為為iaiaRRRRRaaQUCC=Cc+Ci而而等效電容為等效電容為

34、33mmaad FQUCC若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d d3333，則在外力作用下，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為壓電元件產(chǎn)生的電壓值為 tUUmasinUm為電壓幅值：為電壓幅值： aiCCRjRjFdU133由圖由圖( (b b) )可得放大器輸入端的電壓可得放大器輸入端的電壓U Ui i，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院222331icamimCCCRRFdUU Ui i的幅值的幅值U Uimim為為icaCCCRarctan2輸入電壓與作用力之間的相位差輸入電壓與作用力之間的相位差為為icamm

35、imCCCFdRFdU3320331令令= =R R( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )，為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，并令為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，并令0 0=1/=1/，則可得則可得可見(jiàn)，如果可見(jiàn)，如果/0 011，即作用力變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，即作用力變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于的乘積遠(yuǎn)大于1 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U Uimim與頻率無(wú)關(guān)。一般與頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為認(rèn)為/0 033，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明，在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)明，在測(cè)量回路

36、時(shí)間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。好的高頻響應(yīng)特性。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院但是，當(dāng)被測(cè)動(dòng)態(tài)量變化緩慢，而測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)不大時(shí)，但是，當(dāng)被測(cè)動(dòng)態(tài)量變化緩慢，而測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)不大時(shí)，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)。但是靠增大測(cè)量回路的但是靠增大測(cè)量回路的電容來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的靈敏度電容來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器。根據(jù)傳感器電壓靈敏度電壓靈敏度K Ku u的定義得的定義得33221imum

37、aciUdKFCCCRicauCCCdK33因?yàn)橐驗(yàn)镽 R11，故上式可以近似為，故上式可以近似為可見(jiàn)，可見(jiàn)，K Ku u與回路電容成反比，增加回路電容必然使與回路電容成反比，增加回路電容必然使K Ku u下降。為此下降。為此常將常將R Ri i很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測(cè)量回路很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感器與時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)C Cc c將改變，必須重新校正靈敏度值。將改變，必須重新校正靈敏度值。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工

38、業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院對(duì)采用電壓前置放大器的壓電傳感器電路，分析如下。對(duì)采用電壓前置放大器的壓電傳感器電路，分析如下。（1 1） =0=0時(shí)，時(shí)，Ui=0Ui=0，說(shuō)明壓電傳感器不能測(cè)靜態(tài)量。，說(shuō)明壓電傳感器不能測(cè)靜態(tài)量。（2 2）當(dāng)）當(dāng)/ /n n11（一般滿(mǎn)足（一般滿(mǎn)足/ /n n 3 3即可）時(shí)，即可）時(shí)，U Uimim=U=Uamam，即，即輸入前置放大器的電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明壓電式傳輸入前置放大器的電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明壓電式傳感器的高頻響應(yīng)相當(dāng)好，這是壓電式傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。感器的高頻響應(yīng)相當(dāng)好，這是壓電式傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。 （3 3）如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)

39、態(tài)量（）如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量（ 很?。?，而很?。鴾y(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降，低又不大，則造成傳感器靈敏度下降，低頻動(dòng)態(tài)誤差為頻動(dòng)態(tài)誤差為 2/11(/)nn 壓電式傳感器的壓電式傳感器的 3dB3dB截止頻率下限為（取截止頻率下限為（取 ） 一般情況下可實(shí)現(xiàn)一般情況下可實(shí)現(xiàn)f fL L 1Hz1Hz，低頻響應(yīng)也較好。，低頻響應(yīng)也較好。 21K)CCC(RficaL21浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 （4 4）為了滿(mǎn)足阻抗匹配的要求，壓電式傳感器一般都采用）為了滿(mǎn)足阻抗匹配的要求，壓電式傳感器一般都采用專(zhuān)門(mén)的前置放大器。電壓前置放

40、大器（阻抗變換器）因其電路不專(zhuān)門(mén)的前置放大器。電壓前置放大器（阻抗變換器）因其電路不同而分為幾種型式，但都具有很高的輸入阻抗（同而分為幾種型式，但都具有很高的輸入阻抗（10109 9以上）和以上）和很低的輸出阻抗（小于很低的輸出阻抗（小于10102 2）。）。 解決電纜分布電容問(wèn)題的辦法解決電纜分布電容問(wèn)題的辦法是將放大器裝入傳感器之中，是將放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器，如圖組成一體化傳感器，如圖 （5 5）電壓前置放大器電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較）電壓前置放大器電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大。因?yàn)椋?dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，大。因?yàn)椋?dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，C Cc c也將改變，因而放

41、大器的輸入也將改變，因而放大器的輸入電壓電壓U Uimim也隨之變化，進(jìn)而使前置放大器的輸出電壓改變。也隨之變化，進(jìn)而使前置放大器的輸出電壓改變。因此，壓電式傳感器與前置放因此，壓電式傳感器與前置放大器之間的連接電纜不能隨意大器之間的連接電纜不能隨意更換。如有變化時(shí)，必須重新更換。如有變化時(shí)，必須重新校正其靈敏度，否則將引入測(cè)校正其靈敏度，否則將引入測(cè)量誤差。量誤差。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院2 2、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器實(shí)質(zhì)是一個(gè)深度負(fù)反饋、高增益的運(yùn)算放大器。電荷放大器實(shí)質(zhì)是一個(gè)深度負(fù)反饋、高增益的運(yùn)算放大器。-A：放大器的開(kāi)環(huán)增益，負(fù)號(hào)表示輸入輸出反相；：放大器

42、的開(kāi)環(huán)增益，負(fù)號(hào)表示輸入輸出反相； R RF F、C CF F：反饋電阻與反饋電容。：反饋電阻與反饋電容。 壓電式傳感器與電荷放大器連接的基本電路及等效電路如下。壓電式傳感器與電荷放大器連接的基本電路及等效電路如下。 電荷前置放大器基本電路電荷前置放大器基本電路 電荷前置放大器等效電路電荷前置放大器等效電路浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院放大器輸入電壓：放大器輸入電壓： 放大器輸出電壓：放大器輸出電壓： 如果如果 可忽略傳感器等效電容、連接電纜電容和放大器的輸入電可忽略傳感器等效電容、連接電纜電容和放大器的輸入電容的影響，即：容的影響，即： fsoCqV從輸出端折合到輸入端 這是電荷放

43、大器的一大優(yōu)點(diǎn)，也是為什么常使用電荷放大這是電荷放大器的一大優(yōu)點(diǎn)，也是為什么常使用電荷放大器的原因。器的原因。 ficasiCACCCqV) 1(ficasisoCACCCAqAVV) 1(icafCCCCA)1 (浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形 .靈靈 敏敏 度：度：0.10.11000mV/pC1000mV/pC； 頻率范圍：頻率范圍：0.30.3100KHz100KHz；準(zhǔn)準(zhǔn) 確確 度：度：1%1%； 最大輸出：最大輸出：10V/10mA10V/10mA；噪聲噪聲( (最大增益最大增益) )：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5 5V V

44、；電電 源：源：220V/50Hz220V/50Hz；控制方式：；控制方式： 計(jì)算機(jī)或手動(dòng)計(jì)算機(jī)或手動(dòng)浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊 主要指標(biāo)主要指標(biāo): : 靈靈 敏敏 度：度：1 1、1010、100mV/pC(100mV/pC(任選一檔任選一檔) ) 頻率范圍：頻率范圍：0.30.3100KHz(100KHz(上、下限可選上、下限可選) ) 噪聲噪聲( (最大靈敏度最大靈敏度) )：輸出端小于：輸出端小于1mV1mV 歸歸 一一 化：外接電阻調(diào)整化：外接電阻調(diào)整 線(xiàn)性誤差：線(xiàn)性誤差：1%1% 最大輸出：最大輸出：5V5V或或10V10V 電

45、電 源：源：6V6V15V15V 特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 2. 2.靈敏度靈敏度 電壓靈敏度電壓靈敏度: : 電荷靈敏度電荷靈敏度: : 因?yàn)橐驗(yàn)? : 所以所以: :21()aVUKV sma21()qQKC smaaaQUCqVaKK C浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 由質(zhì)量塊上的力與加速度的關(guān)系由質(zhì)量塊上的力與加速度的關(guān)系: : F=ma ( (N N) ) 以及以及: : Q=d33F 可知壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度和電壓靈敏度可知壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度和電壓靈敏度: :213 3()q

46、KdmC s m213 3()VadmKV smC浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電式傳感器的高頻響應(yīng)特別好，只要放大器的高頻截止頻壓電式傳感器的高頻響應(yīng)特別好，只要放大器的高頻截止頻率遠(yuǎn)高于傳感器自身的固有頻率，那么，傳感器的高頻響應(yīng)率遠(yuǎn)高于傳感器自身的固有頻率，那么，傳感器的高頻響應(yīng)完全由自身的機(jī)械問(wèn)題決定，放大器的通頻帶要做到完全由自身的機(jī)械問(wèn)題決定，放大器的通頻帶要做到100kHz100kHz以上并不困難，因此，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)只需考慮傳以上并不困難，因此，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)只需考慮傳感器的固有頻率。但是，測(cè)量頻率的上限不能設(shè)得跟傳感器感器的固有頻率。但是，測(cè)量頻率

47、的上限不能設(shè)得跟傳感器的固有頻率一樣高，因?yàn)樵诠舱駞^(qū)附近傳感器的靈敏度將隨的固有頻率一樣高，因?yàn)樵诠舱駞^(qū)附近傳感器的靈敏度將隨頻率而急劇增加，其輸出電量不再跟輸入量成正比；并且，頻率而急劇增加，其輸出電量不再跟輸入量成正比；并且，由于在共振區(qū)附近工作時(shí)，傳感器的靈敏度要比出廠時(shí)的校由于在共振區(qū)附近工作時(shí)，傳感器的靈敏度要比出廠時(shí)的校正靈敏度高得多，若不進(jìn)行靈敏度修正，將造成很大的測(cè)量正靈敏度高得多，若不進(jìn)行靈敏度修正，將造成很大的測(cè)量誤差。因此實(shí)際測(cè)量的振動(dòng)頻率上限取誤差。因此實(shí)際測(cè)量的振動(dòng)頻率上限取 ，在此，在此區(qū)域，傳感器的靈敏度基本不隨頻率變化而變化。由于傳感區(qū)域，傳感器的靈敏度基本不隨

48、頻率變化而變化。由于傳感器的固有頻率相當(dāng)高器的固有頻率相當(dāng)高( (一般可達(dá)一般可達(dá)3030 kHzkHz甚至更高甚至更高) )，因此，它，因此，它的測(cè)量頻率上限可達(dá)幾千赫，甚至達(dá)十幾千赫。的測(cè)量頻率上限可達(dá)幾千赫，甚至達(dá)十幾千赫。n(1/51/3)浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 2aaCC aaVV 2QQ 并聯(lián)并聯(lián):電容增大電容增大（時(shí)間常數(shù)（時(shí)間常數(shù)也增大），也增大），電荷電荷靈敏度增靈敏度增大，適用于緩慢變化的信大，適用于緩慢變化的信號(hào)并以電荷作為輸出的場(chǎng)號(hào)并以電荷作為輸出的場(chǎng)合。合。21aaCC 2aaVV QQ 串聯(lián)串聯(lián):電壓增大，電壓增大，電壓靈電壓靈敏度提高，敏度提高，

49、電容減小電容減小（時(shí)（時(shí)間常數(shù)也減少），適用于間常數(shù)也減少），適用于高頻信號(hào)并以電壓作為輸高頻信號(hào)并以電壓作為輸出的場(chǎng)合。出的場(chǎng)合。6.3壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 6 壓電式傳感器壓電式傳感器浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院(Piezoelectric accelerometer)6.36.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用6.3.16.3.1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)，占所有加速壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)，占所有加速度傳感器的度傳感器的8080以上。因其固有頻率高，有較好的頻率響應(yīng)以上。因其固有頻率高，有較好的

50、頻率響應(yīng)( (幾千赫至幾十千赫幾千赫至幾十千赫) )，如果配以電荷放大器，低頻響應(yīng)也很，如果配以電荷放大器，低頻響應(yīng)也很好好( (可低至零點(diǎn)幾赫可低至零點(diǎn)幾赫) )。另外，壓電式傳感器體積小、重量輕。另外，壓電式傳感器體積小、重量輕。缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度。缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度。 1 1結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式主要有壓縮型、剪切型和復(fù)合型。壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)形式主要有壓縮型、剪切型和復(fù)合型。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 1 1）壓縮式）壓縮式常見(jiàn)的壓電式加速度傳感器的結(jié)常見(jiàn)的壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)一般是利用壓電陶瓷的縱向構(gòu)一般是利用壓電陶瓷的縱向效

51、應(yīng)，圖示為壓縮式壓電加速度效應(yīng)，圖示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。測(cè)量時(shí)，傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因一起。當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因質(zhì)量塊的質(zhì)量質(zhì)量塊的質(zhì)量m相對(duì)被測(cè)物體的質(zhì)量相對(duì)被測(cè)物體的質(zhì)量M小得多，因此傳感器的小得多，因此傳感器的質(zhì)量質(zhì)量m感受到與傳感器基座感受到與傳感器基座M相同的振動(dòng)，并受到與加速度相同的振動(dòng)，并受到與加速度a方方向相反的慣性力，此力為向相反的慣性力，此力為F=ma。慣性力作用在壓電陶瓷上產(chǎn)。慣性力作用在壓電陶瓷上產(chǎn)生的電荷：生的電荷：Q=d33.F=d33ma 當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于

52、傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷( (電壓電壓) )與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院振動(dòng)測(cè)試測(cè)量的參數(shù)：振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速振動(dòng)測(cè)試測(cè)量的參數(shù)：振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度，可通過(guò)積分、微分相互轉(zhuǎn)換。度，可通過(guò)積分、微分相互轉(zhuǎn)換。測(cè)振傳感器：又稱(chēng)拾振器。測(cè)振傳感器：又稱(chēng)拾振器。相對(duì)式振動(dòng)傳感器：使用不方便，一般不使用。相對(duì)式振動(dòng)傳感器：使用不方便，一般不使用。 二、壓電式加速度傳感器二、壓電式加速度傳感器與機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量與機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量絕

53、對(duì)對(duì)絕對(duì)對(duì)式振動(dòng)式振動(dòng)傳感器：傳感器：質(zhì)量塊質(zhì)量塊+彈簧彈簧+阻阻尼；尼；裝在被裝在被測(cè)物體測(cè)物體上上 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院（3）壓電式加速度傳感器）壓電式加速度傳感器aaaC/dmaC/dFC/Qu測(cè) 量 范 圍 ： 固 有 頻 率 一 般測(cè) 量 范 圍 ： 固 有 頻 率 一 般4064kHz，可測(cè)頻率范圍小，可測(cè)頻率范圍小于于 1 / 5 1 / 1 0 的 固 有 頻 率的 固 有 頻 率ammmaT1001fmmmfT附加傳感器后系統(tǒng)的加速度：附加傳感器后系統(tǒng)的加速度：附加傳感器后系統(tǒng)的固有頻率：附加傳感器后系統(tǒng)的固有頻率：附加質(zhì)量的影響：加速度附加質(zhì)量的影響：加

54、速度降低，固有頻率降低。降低，固有頻率降低。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器1. YD1. YD型壓電式加速度傳感器型壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是；靈敏度高、體積小、重量輕、它的主要優(yōu)點(diǎn)是；靈敏度高、體積小、重量輕、測(cè)量頻率上限較高、動(dòng)態(tài)范圍大。但它易受外界測(cè)量頻率上限較高、動(dòng)態(tài)范圍大。但它易受外界干擾，在測(cè)試前需進(jìn)行各種校驗(yàn)。如廠的干擾，在測(cè)試前需進(jìn)行各種校驗(yàn)。如廠的YD型壓型壓電式加速度傳感器就是典型的一種其外形如下圖電式加速度傳感器就是典型的一種其外形如下圖2

55、所示，有端面和側(cè)面引出兩種基本形式，它主要所示，有端面和側(cè)面引出兩種基本形式，它主要用于各種機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量。用于各種機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院madFdqCdmaCqUmaF ma浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓縮式的壓電式加速度傳感器的其它結(jié)構(gòu)壓縮式的壓電式加速度傳感器的其它結(jié)構(gòu) (a)a)中央安裝壓縮式中央安裝壓縮式 (b)(b)隔離基座壓縮式隔離基座壓縮式 (c)(c)隔離預(yù)載筒壓縮式隔離預(yù)載筒壓縮式 (d) (d) 倒掛中心壓縮型倒掛中心壓縮型浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 2 2）剪切型剪切型 與壓縮與壓縮式加速度式加速度傳感器相傳

56、感器相比，剪切比，剪切式加速度式加速度傳感器是傳感器是一種很有一種很有發(fā)展前途發(fā)展前途的傳感器，的傳感器，并有替代并有替代壓縮式的壓縮式的趨勢(shì)。趨勢(shì)。(a) (a) 環(huán)形環(huán)形剪切式結(jié)構(gòu)剪切式結(jié)構(gòu) (b) (b) 扁環(huán)形剪切式結(jié)構(gòu)扁環(huán)形剪切式結(jié)構(gòu)(c) H(c) H形剪切式結(jié)構(gòu)形剪切式結(jié)構(gòu) (d) (d) 三角形剪切式結(jié)構(gòu)三角形剪切式結(jié)構(gòu)浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院3 3）復(fù)合型）復(fù)合型(1)(1)剪切壓縮復(fù)合型剪切壓縮復(fù)合型 (a) (a) 斷面圖斷面圖 (b) X(b) X和和Y Y方向加速度檢測(cè)原理圖方向加速度檢測(cè)原理圖 (c) Z(c) Z方向加速度檢測(cè)原理圖方向加速度檢測(cè)原

57、理圖一種壓電式三向加速度傳感器斷面圖一種壓電式三向加速度傳感器斷面圖 (2) (2) 組合一體化壓電加速度傳感器組合一體化壓電加速度傳感器（3 3）彎曲型壓電加速度傳感器）彎曲型壓電加速度傳感器浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電加速度傳感器實(shí)物圖壓電加速度傳感器實(shí)物圖浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)以某小型以某小型“內(nèi)裝內(nèi)裝ICIC的壓電加速度傳感器的壓電加速度傳感器”為例為例 靈敏度：靈敏度：500mV/g 量程：量程：10g 頻率范圍：頻率范圍：4-4000Hz安裝諧振點(diǎn)安裝諧振點(diǎn):15kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：40g 安裝螺

58、紋：安裝螺紋：M5 mm 線(xiàn)性：線(xiàn)性：1%浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電加速度傳感器的安裝及使用壓電加速度傳感器的安裝及使用 a)a)雙頭螺絲固定雙頭螺絲固定 b)b)磁鐵吸附磁鐵吸附 c)c)膠水粘結(jié)膠水粘結(jié) d)d)手持探手持探針式針式 1 1壓電式加速度傳感器；壓電式加速度傳感器；2 2雙頭螺栓；雙頭螺栓；3 3磁鋼；磁鋼；4 4粘接粘接劑；劑；5 5頂針頂針 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院6 壓電式傳感器壓電式傳感器為了使預(yù)緊力均勻地分布在壓為了使預(yù)緊力均勻地分布在壓電元件上，用螺釘電元件上，用螺釘6通過(guò)鋼珠通過(guò)鋼珠5和有凹坑的壓板和有凹坑的壓板4緊壓在壓電緊壓

59、在壓電元件上。鋼珠和壓板上凹坑有元件上。鋼珠和壓板上凹坑有自動(dòng)找平作用，避免受力不均自動(dòng)找平作用，避免受力不均勻。壓電元件勻。壓電元件3和和l極性為正的極性為正的一面通過(guò)銅片一面通過(guò)銅片2引出，極性為引出，極性為負(fù)的一面經(jīng)由殼體相連并引出。負(fù)的一面經(jīng)由殼體相連并引出。浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院5.5.2 5.5.2 壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器圖示為一種單向壓電式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它可用于機(jī)床動(dòng)圖示為一種單向壓電式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它可用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。壓電晶片為零度態(tài)切削力的測(cè)量。壓電晶片為零度x x切石英晶片，尺寸為切石英晶片，尺寸為8 81 1 mmmm，上

60、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0.10.10.50.5 mmmm，由測(cè)力范圍決定，由測(cè)力范圍決定，F(xiàn) Fmaxmax=5000N=5000N。絕緣套用來(lái)電氣絕緣和定位。絕緣套用來(lái)電氣絕緣和定位。 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車(chē)壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車(chē)床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量 浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)析跑臺(tái)壓電式縱跳壓電式縱跳 訓(xùn)練分析裝置訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量壓電傳感器測(cè)