第_8_章_壓電式傳感器

1、第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:131第第8 8章章 壓壓 電電 式式 傳傳 感感 器器 8.1 8.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 8.2 8.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路8.3 8.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1328.1 8.1 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)( (壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)) )：某些電介質(zhì)，當(dāng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著沿著一定方向一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾鼘ζ涫┝Χ顾冃巫冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時同時在在它的兩個表面上便產(chǎn)生它的兩個表面上便

2、產(chǎn)生符號相反符號相反的電荷；的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。人們把當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。人們把這種這種機(jī)械能機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電能電能的現(xiàn)象，稱為的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng): :當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形。質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形。人們把這種電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的人們把這種電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象現(xiàn)象，稱為，稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:133壓電效應(yīng)壓電

3、效應(yīng)可逆性可逆性 壓電元件機(jī)械量電量第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:134壓電材料：壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機(jī)實現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電材料分類壓電材料分類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)高分子壓電材料壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)高分子壓電材料。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:135常用壓電材料性能參數(shù)常用壓電材料性能參數(shù) 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:136 一、石英晶體一、石英晶體石英晶體：石英晶體：化學(xué)式為化學(xué)式為SiOSiO2 2，是單晶體結(jié)構(gòu)，正六面體。，是單晶體結(jié)構(gòu)

4、，正六面體。石英晶體的各向異性：縱向軸石英晶體的各向異性：縱向軸z z稱為稱為光軸光軸，經(jīng)過六面體棱，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的線并垂直于光軸的x x軸稱為軸稱為電軸電軸，與，與x x和和z z軸同時垂直的軸同時垂直的y y軸軸稱為稱為機(jī)械軸機(jī)械軸?？v向壓電效應(yīng)：縱向壓電效應(yīng)：把沿電軸把沿電軸x x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為電效應(yīng)稱為“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)：把沿機(jī)械軸把沿機(jī)械軸y y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。 而沿光軸而沿光軸z z方向的力作用時不

5、產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:137(a) 晶體外形晶體外形 (b) 切割方向切割方向 (c) 晶片晶片 zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)石英晶體石英晶體第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:138天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:139天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1310石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:131

6、1縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng): : 若從晶體上沿若從晶體上沿y y方向切下一塊晶片，方向切下一塊晶片，沿電軸沿電軸方向施加作用力方向施加作用力F F1 1時時，在與電軸，在與電軸x x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為其大小為 1111Fdq 式中，式中，d d1111為為x x方向受力的壓電系數(shù)。方向受力的壓電系數(shù)。 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng):若在同一切片上，若在同一切片上，沿機(jī)械軸方向施加作用力沿機(jī)械軸方向施加作用力F F2 2時時，則仍在與，則仍在與x x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其大小為軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其大小為 2121Fbadq 式中，式中，d d1212為

7、為y y方向受力的壓電系數(shù)，其中方向受力的壓電系數(shù)，其中d d1212=-=-d d1111。第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1312(a) 不受力時不受力時 (b) x軸方向受力軸方向受力 (c) y軸方向受力軸方向受力石英晶體壓電模型石英晶體壓電模型yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy注：電偶極矩注：電偶極矩P=ql第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1313切切 向向 效效 應(yīng)應(yīng)第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1314 石英晶體壓電效應(yīng)原理石英晶體壓電效應(yīng)原理: （a）石英晶體未受外力作用時石英晶

8、體未受外力作用時，P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3=0=0，所以晶體表面不，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。產(chǎn)生電荷，即呈中性。 （b）石英晶體受到沿石英晶體受到沿x x軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時，在，在x x軸的軸的正方向正方向出現(xiàn)出現(xiàn)負(fù)負(fù)電荷，電偶極矩在電荷，電偶極矩在y y方向上的方向上的分量分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。仍為零，不出現(xiàn)電荷。（c） 石英晶體受到沿石英晶體受到沿y軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時， 在在x軸的軸的正向正向出出現(xiàn)現(xiàn)正正電荷，電偶極矩在電荷，電偶極矩在y方向上的方向上的分量分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。仍為零，不出現(xiàn)電荷。（d）石英晶體沿石

9、英晶體沿z軸方向施加作用力時軸方向施加作用力時，晶體不會產(chǎn)生壓電效，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。應(yīng)。 （e）當(dāng)作用力）當(dāng)作用力Fx、Fy的方向相反時，電荷的極性也隨之改變。的方向相反時，電荷的極性也隨之改變。第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1315石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1316 優(yōu)點：優(yōu)點：性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能非性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能非常好，絕緣阻抗一般大于常好，絕緣阻抗一般大于1012 。 缺點：缺點：石英晶體的壓電系數(shù)比壓電陶瓷小的多，石英晶體的壓電系數(shù)比壓電陶瓷小的多，且價格較貴，所以壓電石英一

10、般用于制作標(biāo)準(zhǔn)儀且價格較貴，所以壓電石英一般用于制作標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器。器或要求較高的傳感器。壓電石英特性：壓電石英特性：第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1317 二、壓電陶瓷二、壓電陶瓷壓電陶瓷：壓電陶瓷：是是人工制造人工制造的多晶體壓電材料，壓電系數(shù)高。的多晶體壓電材料，壓電系數(shù)高。人工極化：人工極化：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)極化自發(fā)極化的電疇，在的電疇，在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互極化效應(yīng)被相互抵消抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的

11、壓電陶瓷呈中性，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)不具有壓電性質(zhì)。在強(qiáng)直流極化電場作用下在強(qiáng)直流極化電場作用下，電疇的極化方向依外電場方，電疇的極化方向依外電場方向充分排列。在撤消極化電場后，壓電陶瓷內(nèi)部仍存有向充分排列。在撤消極化電場后，壓電陶瓷內(nèi)部仍存有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，這時的材料，這時的材料才具有壓電特性才具有壓電特性。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1318(a)(a)未極化未極化 (b) (b) 電極化電極化 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1319壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器

12、2:1320無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）（上海硅酸鹽研究所研制） 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1321壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：3333Fdq 式中，式中， d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)；壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F作用力。作用力。 優(yōu)點：優(yōu)點：壓電陶瓷的壓電陶瓷的壓電系數(shù)壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高靈敏度較高。第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1322鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3），），它的它的壓電系數(shù)壓電系

13、數(shù)約為石英的約為石英的50倍，但倍，但居居里點里點溫度只有溫度只有115，使用溫度不超過，使用溫度不超過70，溫度穩(wěn)定性和，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。鋯鈦酸鉛（鋯鈦酸鉛（PZT）系列，）系列，居里點在居里點在300以上，性能穩(wěn)定，以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。鈮鎂酸鉛：鈮鎂酸鉛：20世紀(jì)世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷，年代發(fā)展起來的壓電陶瓷，具有極高的具有極高的壓電系數(shù)壓電系數(shù)和和較高的工作溫度較高的工作溫度， 而且能而且能承受較高的壓力。承受較高的壓力。 壓電陶瓷材料：壓電陶瓷材料：第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:

14、13231 1、某些合成高分子、某些合成高分子聚合物聚合物經(jīng)延展拉伸和電極化處理經(jīng)延展拉伸和電極化處理而成，如而成，如聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)PVDF)；2 2、高分子化合物中參雜、高分子化合物中參雜PZTPZT和和BaTiO3BaTiO3粉末制成薄膜。粉末制成薄膜。 優(yōu)點：優(yōu)點：有機(jī)高分子壓電材料的獨(dú)特優(yōu)點是有機(jī)高分子壓電材料的獨(dú)特優(yōu)點是質(zhì)輕柔質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度高，便于批量生產(chǎn)和大面積使用，軟、抗拉強(qiáng)度高，便于批量生產(chǎn)和大面積使用，可制作大面積陣列傳感器?？芍谱鞔竺娣e陣列傳感器。三、有機(jī)高分子壓電材料三、有機(jī)高分子壓電材料第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1324高分子高

15、分子壓電薄膜壓電薄膜及拉制及拉制 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1325 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 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1326基本原理：基本原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)利用壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用有力作用在壓電在壓電材料上時，傳感器就有材料上時，傳感器就有電荷電荷（或（或電壓電壓）輸出。）輸出。 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：由于外力作用而在壓電材料上由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷產(chǎn)生的電荷只有在只有在無泄漏的情況下無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸

16、入阻抗，這實際上是不可能的，入阻抗，這實際上是不可能的， 因此壓電式傳感器因此壓電式傳感器不能用于不能用于靜態(tài)測量靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故以供給測量回路一定的電流，故適用于動態(tài)測量適用于動態(tài)測量。 四、壓電式傳感器四、壓電式傳感器第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1327(a) 相同極性端粘結(jié)相同極性端粘結(jié) (b) 不同極性端粘結(jié)不同極性端粘結(jié) （電學(xué)并聯(lián)）（電學(xué)并聯(lián)） （機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)串聯(lián)）（機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)串聯(lián)）(a)(b)壓電元件組成壓電傳感器的連接方式壓電元件組成壓電傳感器的連

17、接方式第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1328并聯(lián)接法：并聯(lián)接法：輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在用在測量慢變信號，測量慢變信號，并且以并且以電荷作為輸出量電荷作為輸出量的場合。的場合。 串聯(lián)接法：串聯(lián)接法：輸出電壓大，本身電容小，輸出電壓大，本身電容小，時間常數(shù)小，時間常數(shù)小，適宜適宜用于以用于以電壓作輸出量電壓作輸出量，并且測量電路，并且測量電路輸入阻抗輸入阻抗很高的場合。很高的場合。 壓電式傳感器中的壓電式傳感器中的壓電元件壓電元件，按其受力和變形方式不同，按其受力和變形方式不同， 大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切

18、變形等大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式。目前最常使用的是幾種形式。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式厚度變形的壓縮式和和剪切變剪切變形形的的剪切式剪切式兩種。兩種。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1329(a)(a)厚度變形厚度變形(TE) (b) (TE) (b) 長度變形長度變形(LE) (c) (LE) (c) 體積變形體積變形(VE) (VE) (d)(d)面切變形面切變形(FS) (e) (FS) (e) 剪切變形剪切變形(TS) (TS) F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)壓電元件變形方式壓電元件變形方式第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感

19、器 2:1330壓電傳感器的預(yù)載：壓電傳感器的預(yù)載：（1 1）消除低壓力使用中的非線性；）消除低壓力使用中的非線性；（2 2）消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。）消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。（3 3）只有在加預(yù)載后）只有在加預(yù)載后, ,才能用壓電傳感器才能用壓電傳感器測量測量拉力和拉、拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。壓交變力及剪力和扭矩。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:13315.2 5.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 一、壓電式傳感器的等效電路一、壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一由壓電元件的工作原理可知，壓電

20、式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器， 晶體上聚集正晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板兩個極板，極板間物質(zhì)等效，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，于一種介質(zhì)， 則其電容量為則其電容量為 hSCra0第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1332（a） 電壓源電壓源 （b） 電荷源電荷源CauaCaq(a)(b)壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1333電壓等效電路電壓等效電路：壓電傳感器可以等效為一個與電容相串：壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的聯(lián)的電壓源電

21、壓源。aaCqU 電荷等效電路電荷等效電路：壓電傳感器也可以等效為一個與電容相并：壓電傳感器也可以等效為一個與電容相并聯(lián)的聯(lián)的電荷源電荷源。aaUCq 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1334輸出端電壓輸出端電壓:電壓靈敏度電壓靈敏度:輸出端電荷輸出端電荷:電荷靈敏度電荷靈敏度:第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1335壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮相連接，因此還需考慮連接電纜連接電纜的等效電容的等效電容C Cc c，放大放大器的輸入電阻器的輸入電阻R Ri i ，輸入電容，輸入電容C Ci i

22、以及壓電傳感器的以及壓電傳感器的等效等效電容電容C Ca a，絕緣電阻絕緣電阻R Ra a。這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中。這樣，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路如圖所示。的實際等效電路如圖所示。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1336（a） 電壓源電壓源 （b） 電荷源電荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)壓電傳感器的實際等效電路壓電傳感器的實際等效電路第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1337由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小，達(dá)到由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小，達(dá)到級電流。因此測量電路要求級電流。因此測量電路要求: 1. 前置放大器不僅有足夠的放

23、大倍數(shù)前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù);2. 而且而且, 還需要有極高的輸入阻抗還需要有極高的輸入阻抗. 二、測二、測 量量 電電 路：路：第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1338 二、測量電路：二、測量電路：電壓放大器電壓放大器和和電荷放大器電荷放大器。 1.1.電壓放大器電壓放大器 電阻電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容，電容C=Cc+Ci，而，而ua=q/Ca，若壓，若壓電元件電元件受正弦力受正弦力 f = Fm sint 的作用，則其電壓為的作用，則其電壓為 tUtCdFUmamasinsin式中，式中，U Um m壓電元件輸出電壓幅值，壓電元件輸出電壓幅值，U Um m=

24、 =dFdFm m/ /C Ca a； d d壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1339（a）放大器電路）放大器電路 （b）等效電路）等效電路電壓放大器電路原理及其等效電路圖電壓放大器電路原理及其等效電路圖AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1340由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為 .)(1CCRjRjdfUaiUi的幅值的幅值Uim為為 .222)(1)(icamimCCCRRdFU輸入電壓和作用力之間相位差為輸入電壓和作用力之間相位差為 )

25、(arctan2)(RCCCica第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1341在理想情況下，傳感器的在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即都為無限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式可知，理想情，那么由式可知，理想情況下輸入電壓幅值況下輸入電壓幅值Uim為為 icamimCCCdFU式中，式中，Cc為連接電纜電容為連接電纜電容。因此，壓電傳感器與前置放大器。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜之間連接電纜不能不能隨意更換，否則將影響靈敏度，引入測量隨意更換，否則將影響靈敏度，引入測量誤差。誤差。icamimUCCCdFUK

26、222)(1)(icamimCCCRRdFU第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1342第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1343w t=0 時，即作用在壓電傳感器上的力是靜態(tài)力時，前時，即作用在壓電傳感器上的力是靜態(tài)力時，前置放大器的輸入電壓為置放大器的輸入電壓為0。這是因為實際上放大器的輸入。這是因為實際上放大器的輸入阻抗不可能為無窮大，而壓電傳感器也不能絕對絕緣，阻抗不可能為無窮大，而壓電傳感器也不能絕對絕緣，因此產(chǎn)生的電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器本因此產(chǎn)生的電荷就會通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄露電阻漏掉。這就從原理上說明了身的泄露電阻漏掉。這就從原理上說明

27、了壓電式傳感器壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量不能測量靜態(tài)物理量。當(dāng)當(dāng)w t=3 時，可以近似看作放大器的輸入電壓與作用時，可以近似看作放大器的輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。在時間常數(shù)力的頻率無關(guān)。在時間常數(shù) 一定的條件下，被測物理一定的條件下，被測物理量的變化頻率越高，則放大器的輸入電壓越接近理想情量的變化頻率越高，則放大器的輸入電壓越接近理想情況。說明況。說明壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1344 2. 2. 電荷放大器電荷放大器( (常用常用) )電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容電荷放大器常作

28、為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容C Cf f和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗輸入阻抗極高，放極高，放大器輸入端幾乎大器輸入端幾乎沒有分流沒有分流，故可略去，故可略去R Ra a和和R Ri i并聯(lián)電阻。并聯(lián)電阻。 電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路 -A q Ca Cc Ci Cf Uo iU第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1345由運(yùn)算放大器基本特性（密勒電容：將由運(yùn)算放大器基本特性（密勒電容：將Cf等效到等效到A0 的的輸入端），可求出電荷放大器的輸出電壓輸入端），可求出電荷放大器的輸出電壓ficaoCACCCAqu)1

29、 ( 通常通常A=104108, Cf=100pF, Ca=100pF。當(dāng)滿足當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時，可表示為時，可表示為 foCqu由式可見，由式可見，電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓uo只取決于只取決于輸入電荷輸入電荷與反饋電容與反饋電容Cf，與電纜電容，與電纜電容Cc無關(guān)，且與無關(guān)，且與q成正比，這是成正比，這是電荷放大器的最大特點。電荷放大器的最大特點。第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1346電壓放大器作為測量電路的傳感器靈敏度為電壓放大器作為測量電路的傳感器靈敏度為問題：電荷放大器作為測量電路的傳感器靈敏度？問題：電荷放大器作為測量電路的傳感器靈敏度

30、？ffmmmUCdCFdFFUK0foCquicamimUCCCdFUK3 測量電路的傳感器靈敏度測量電路的傳感器靈敏度第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1347四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形 .第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1348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

31、 一一 化：外接電阻調(diào)整化：外接電阻調(diào)整 線性誤差：線性誤差：1%1% 最大輸出：最大輸出：5V5V或或10V10V 電電 源：源：6V6V15V15V 特點：可組成經(jīng)濟(jì)的多點測試系統(tǒng)特點：可組成經(jīng)濟(jì)的多點測試系統(tǒng)第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1349 壓電傳感器工作原理圖壓電傳感器工作原理圖第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1350 一、壓電式加速度傳感器一、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，由螺栓加以固定?；巴鈿さ冉M成。整個部件裝在外殼內(nèi)，由

32、螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 8.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1351 當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是件受質(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)，加速度的函數(shù)， 即即 F=maq=d11F=d11ma 因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 一、壓電式加速度傳感器一、壓電式加速度傳感器第第8 8章章

33、壓電傳感器壓電傳感器 2:1352倒裝中心壓縮式倒裝中心壓縮式一、壓電式加速度傳感器一、壓電式加速度傳感器第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1353隔離預(yù)載筒壓縮式隔離預(yù)載筒壓縮式雙筒雙屏蔽結(jié)構(gòu)，雙筒雙屏蔽結(jié)構(gòu)，外殼有屏蔽作用，外殼有屏蔽作用，內(nèi)預(yù)緊套筒也有屏內(nèi)預(yù)緊套筒也有屏蔽作用蔽作用一、壓電式加速度傳感器一、壓電式加速度傳感器第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1354二、二、 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器 壓電式壓電式單向單向測力傳感器主要由石英晶片、測力傳感器主要由石英晶片、 絕緣套、電絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。極、上蓋及基座等組成。 壓力式壓力式單向單向測力傳

34、感器結(jié)構(gòu)圖測力傳感器結(jié)構(gòu)圖 8.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1355 三、壓電式玻璃破碎報警器三、壓電式玻璃破碎報警器 將將高分子高分子壓電測振壓電測振薄膜薄膜粘貼粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。傳送給集中報警系統(tǒng)。 適應(yīng)于文物保管，貴重商品適應(yīng)于文物保管，貴重商品保管等。保管等。 8.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 第第8 8章章 壓電傳感器壓電傳感器 2:1356 制作及原理：制作及原理： 將厚約將厚約0.2mm0.2mm左右的左右的PVDFPVDF薄膜薄膜裁制裁制成成1010 20mm20mm大小。在它的大小。在它的正反兩面正反兩面各噴涂透明的各噴涂透明的二氧化錫二氧化錫導(dǎo)電導(dǎo)電電極，電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。引線。并用保護(hù)膜覆蓋。使用時，用瞬干膠將其使用時，用瞬干膠將其粘貼粘貼在玻璃在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎打碎的瞬間，的瞬間，壓壓電薄膜電薄膜感受到劇烈振動