第06章壓電式傳感器

1、11第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器11第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器11第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器22第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器22第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器22認(rèn)識(shí)幾種壓電式傳感器認(rèn)識(shí)幾種壓電式傳感器（a a）柱狀壓電陶瓷）柱狀壓電陶瓷 （b b）管狀壓電陶瓷）管狀壓電陶瓷 （c c）矩形壓電陶瓷片）矩形壓電陶瓷片 （d d）壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器）壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 （e e）壓電陶瓷超聲傳感器）壓電陶瓷超聲傳感器 （f f）壓電陶瓷超聲霧化片）壓電陶瓷超聲霧化片 33第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器33第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳

2、感器第4章 壓電式傳感器33（i)i)電荷型加速度計(jì)電荷型加速度計(jì) (j)(j)壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器 （k k）電壓輸出型加速度計(jì)）電壓輸出型加速度計(jì)（g g）壓電陶瓷蜂鳴片）壓電陶瓷蜂鳴片 （h h）壓電陶瓷大功率超聲換能器）壓電陶瓷大功率超聲換能器 44第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器44第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器44 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾鼘?duì)其施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表一定表面面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)

3、不帶電掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o著改變。當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。漏電而很快泄漏、消失。壓電效應(yīng)演示壓電效應(yīng)演示6.1 壓電式傳感器的工作原理6.1.1 6.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(Piezoelectric-effect)55第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器55第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器556.1 壓電式傳感器的工作原理6.1.1 6.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：反過(guò)來(lái)反過(guò)來(lái),

4、,在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，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“電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)”。電能電能機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)常用壓電材料有三類：壓電晶體，壓電陶瓷和有機(jī)壓常用壓電材料有三類：壓電晶體，壓電陶瓷和有機(jī)壓電材料。電材料。66第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器66第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器666.1.2 壓電材料石英晶體結(jié)構(gòu)為六角形晶柱，化石英晶體結(jié)構(gòu)為六角形晶柱，化學(xué)式為學(xué)式為SiOSiO2 2，單晶結(jié)構(gòu)。，單晶結(jié)構(gòu)。 定義：

5、定義：X X軸：兩平行柱面內(nèi)夾角等分軸：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，沿此軸線，沿此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱。稱為電軸。為電軸。 y y軸軸：垂直于平行柱面，在：垂直于平行柱面，在電電場(chǎng)作用下變形最大場(chǎng)作用下變形最大，稱為機(jī)械，稱為機(jī)械軸。軸。z z軸軸：無(wú)壓電效應(yīng)無(wú)壓電效應(yīng)，中心軸，中心軸，也稱光軸。也稱光軸。 圖圖4-1 4-1 石英晶體石英晶體1、石英晶體、石英晶體77第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器77第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器77圖圖4-2 4-2 石英晶體切片石英晶體切片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，使晶體切

6、片，使它的晶面分別平行于它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。88第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器88第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器88 當(dāng)在電軸方向施加作用力當(dāng)在電軸方向施加作用力FxFx時(shí)時(shí), , 在與電軸在與電軸 x x 垂直垂直的平面上將產(chǎn)生電荷的平面上將產(chǎn)生電荷, , 其大小為其大小為 Qx = dQx = d1111 Fx Fx 式中式中:d:d1111xx方向受力的壓電系數(shù)方向受力的壓電系數(shù); ;99第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器99第第

7、7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器99若在同一切片上若在同一切片上, 沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y方向施加作用力方向施加作用力Fy, 則則仍在與仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy, 其大小為其大小為 Qy=d12Fy a/b 式中式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù)軸方向受力的壓電系數(shù), d12=-d11; a、b晶體切片長(zhǎng)度和厚度。晶體切片長(zhǎng)度和厚度。1010第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1010第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1010壓電式傳感器主要是利用壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng) 沿光軸沿光軸(Z軸軸)方向的

8、作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)切向效應(yīng)。1111第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1111第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1111 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子和氧離子O2-在在Z平面投影，平面投影，如圖如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中中正六邊形排列，圖中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。

9、(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在硅氧離子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影等效為正六邊形排列的投影+石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀原理石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀原理1212第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1212第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1212當(dāng)作用力當(dāng)作用力FX=0時(shí)，正、負(fù)離子時(shí)，正、負(fù)離子（即（即Si4+和和2O2-）正好分布在正六）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾夾角的偶極矩角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（，如圖（a）所示。此時(shí)正負(fù)電荷中

10、心重合，電所示。此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 XY+-(a) FX=0P1P2P31313第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1313第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1313當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（方向的壓力（FX0；在；在Y、Z方向上的分量為方向上的分量為(P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0由上式看出，在由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電軸的正向出現(xiàn)正電荷，在荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷軸方向則不出現(xiàn)電荷。FXXY+FX(b) FX0Y+-+FXFXP2P3P1+( P1+P2

11、+P3)X0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用時(shí)，）作用時(shí)，其變化情況如圖（其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為在在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。方向則不出現(xiàn)電荷。1515第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1515第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1515晶體在晶體在Y軸方向力軸方向力FY作用下的情況與作用下的情況與FX相似。當(dāng)相似。當(dāng)FY0時(shí)，晶體的形變與圖（時(shí)，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)）相似；當(dāng)FY0時(shí)，則時(shí)

12、，則與圖（與圖（c）相似。由此可見(jiàn)，晶體在）相似。由此可見(jiàn)，晶體在Y（即機(jī)械軸）方（即機(jī)械軸）方向的力向的力FY作用下，使它在作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(e) Fy0+-P1P2P3Y+-+FyP2P3P1+1616第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1616第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1616天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形石英壓電晶體石英壓電晶體1717第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1717第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1717人工合成

13、石英晶體人工合成石英晶體石英晶體薄片石英晶體薄片1818第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1818第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1818壓 電 晶 片按特定方向切片按特定方向切片1919第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器1919第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器1919 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20200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%/，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。 居里點(diǎn)：居里點(diǎn)：573573 石英晶

14、體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。 機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒(méi)有熱釋電效應(yīng)（由于溫機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒(méi)有熱釋電效應(yīng)（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。 2020第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2020第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器20202、 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它具有類它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它

15、們的極化效應(yīng)被相互各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，原始?jí)旱窒?，因此原始的壓電陶瓷?nèi)極化強(qiáng)度為零，原始?jí)弘娞沾身毥?jīng)強(qiáng)電場(chǎng)極化處理后才具有壓電特性。電陶瓷須經(jīng)強(qiáng)電場(chǎng)極化處理后才具有壓電特性。圖圖4-5 4-5 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化2121第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2121第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器2121 陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界

16、的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極極化方向極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖的自由電荷示意圖2222第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2222第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器2222 在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，如圖，陶瓷片

17、將產(chǎn)生壓縮形變陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變,片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。原來(lái)吸附在電極上的自由距離變小，極化強(qiáng)度也變小。原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消電荷，有一部分被釋放，出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、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而大，極化強(qiáng)度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，就是正出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，就是正壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。 正壓電效應(yīng)

18、示意圖正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）虛線代表形變后的情況） 極化方向極化方向F2323第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2323第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器2323 同樣，在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，同樣，在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形間距離也增大，就是說(shuō)

19、，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，就是逆壓電效應(yīng)。為機(jī)械效應(yīng)，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）虛線代表形變后的情況） 極化極化方向方向電場(chǎng)方向電場(chǎng)方向2424第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2424第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器24243 3 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元

20、件結(jié)構(gòu)形式 壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。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)。環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較環(huán)境適應(yīng)性。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。高的居里點(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。 2525第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2525第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓

21、電式傳感器2525常用壓電材料常用壓電材料 壓電晶體（單晶體）：石英。壓電晶體（單晶體）：石英。 壓電陶瓷（多晶體）：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（多晶體）：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。系列）等。 壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。等。2626第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2626第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器2626 壓電元件受到力作用時(shí)，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面壓電元件受到力作用時(shí)，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷，計(jì)算公式如下：電荷，計(jì)算公式如下： 式中式中 q qijij j j方向受力時(shí)在方向受力時(shí)在i

22、 i方向上電荷積累的表面密度方向上電荷積累的表面密度( (即沿即沿i i方向的極化強(qiáng)度方向的極化強(qiáng)度) )； j 沿方向沿方向j j施加外力時(shí)，單位面積上感受的應(yīng)力；施加外力時(shí)，單位面積上感受的應(yīng)力； dij 壓電常數(shù)（壓電常數(shù)（j j方向受應(yīng)力，在方向受應(yīng)力，在i i方向產(chǎn)生電荷時(shí)的壓方向產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù)）。電常數(shù)）。 =ijijjqd4 壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算 2727第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2727第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器2727壓電元件的坐標(biāo)系表示法 壓電方程中壓電方程中下角標(biāo)下角標(biāo)i i表示晶體的極化方向表示晶

23、體的極化方向。當(dāng)產(chǎn)生電當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于荷的表面垂直于x x軸軸(y(y軸或軸或z z軸軸) )時(shí)，記為時(shí)，記為i=1(i=1(或或2 2或或3)3)。下角標(biāo)下角標(biāo) j=1j=1或或2 2、3 3、4 4、5 5、6 6，分別表示在沿，分別表示在沿x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸方向作用的軸方向作用的正應(yīng)力正應(yīng)力和在垂直于和在垂直于x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸的平面軸的平面內(nèi)作用的內(nèi)作用的剪切力剪切力。單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號(hào)用右螺旋剪切力的符號(hào)用右螺旋定則確定。右圖表示了定則確定。右圖表示了它們的方向。它

24、們的方向。2828第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2828第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器2828 晶體在任意受力狀態(tài)下產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列方程組決定：636535434333232131362652542432322212126165154143132121111ddddddqddddddqddddddq壓電材料的壓電特性的壓電常數(shù)矩陣： 363534333231262524232221161514131211 dddddddddddddddddddij2929第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器2929第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感

25、器2929石英晶體壓電常數(shù)矩陣 00000020000000000000000000011141411112625141211dddddddddddijNC1073. 0NC1031. 212141211dd3030第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3030第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器3030結(jié)論：結(jié)論： （1 1）當(dāng)晶片受到）當(dāng)晶片受到x x方向的壓力作用時(shí)，產(chǎn)生的電荷方向的壓力作用時(shí)，產(chǎn)生的電荷只與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。只與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。 （2 2）沿機(jī)械軸）沿機(jī)械軸y y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電方向向晶片施加壓力

26、時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的。荷是與幾何尺寸有關(guān)的。 （3 3）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。 （4 4）晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方）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)。向上一定存在逆壓電效應(yīng)。 （5 5）無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）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）之間皆呈線性關(guān)系。與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。3131第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3131第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器31315、 壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電

27、元件的結(jié)構(gòu)形式電路并聯(lián)電路并聯(lián) 電路串聯(lián)電路串聯(lián)壓電片組合后，總電容量壓電片組合后，總電容量C，U，Q與單片的與單片的C，U，Q的關(guān)系的關(guān)系QQUUCC2,2并并并QQUUCC,2,2/串串串圖圖4-8 4-8 壓電元件結(jié)構(gòu)壓電元件結(jié)構(gòu)3232第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3232第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器3232 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。場(chǎng)合，相對(duì)來(lái)說(shuō)允許被測(cè)對(duì)象變化頻率稍低

28、。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻作為輸出量的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。抗。1）并聯(lián)法）并聯(lián)法2 ）串聯(lián)法）串聯(lián)法比較：比較：3333第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3333第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器33336.3.1 6.3.1 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件是壓電式傳感壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。當(dāng)它受到外器的敏感元件。當(dāng)它受到外力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電軸或垂直于極化方向的兩個(gè)軸或垂直于極化方向的兩個(gè)表

29、面上產(chǎn)生極性相反但電量表面上產(chǎn)生極性相反但電量相等的電荷。因此，可以把相等的電荷。因此，可以把壓電式傳感器看作一個(gè)壓電式傳感器看作一個(gè)靜電靜電發(fā)生器發(fā)生器，也可把它視為兩極，也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的絕緣體的電容器。電容器。hshsCra0=6.3 6.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路圖圖4-9 4-9 等效電路等效電路3434第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3434第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器3434圖圖4-10 4-10 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路(a) 等效為一個(gè)電荷源等效為一

30、個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路 (b) 等效成一個(gè)電壓源等效成一個(gè)電壓源U = Q/Ca 和一個(gè)電容和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)的串聯(lián)電路電路 3535第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3535第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器3535 傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損漏損”，外電路負(fù)載無(wú)，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)

31、定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。體不適合于靜態(tài)測(cè)量。6.3.1 6.3.1 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路3636第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3636第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器36366.3.2 6.3.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 1 1）

32、測(cè)量系統(tǒng)框圖）測(cè)量系統(tǒng)框圖圖圖 4-11 測(cè)量系統(tǒng)框圖測(cè)量系統(tǒng)框圖3737第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3737第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器37372）等效電路）等效電路圖圖 4-12 放大器輸入端等效電路放大器輸入端等效電路 壓電傳感器的絕緣電阻壓電傳感器的絕緣電阻RaRa與前置放大器的輸入電阻與前置放大器的輸入電阻RiRi相相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保持在要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保持在10101313以上，才能使內(nèi)部以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足

33、一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 3838第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3838第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器38383）壓電傳感器的靈敏度）壓電傳感器的靈敏度 壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式: :aCKKQU=（1 1）電壓靈敏度，）

34、電壓靈敏度，Ku=UKu=UF F，它表示單位力所產(chǎn)生的，它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；電壓；（2 2）電荷靈敏度，）電荷靈敏度，Kq=QKq=QF F，它表示單位力所產(chǎn)生的，它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。電荷。它們之間的關(guān)系為：它們之間的關(guān)系為：3939第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器3939第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器39396.4 6.4 測(cè)量電路測(cè)量電路 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器：電壓放傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器：電壓放大器或電荷放大器，對(duì)傳感器

35、輸出的電壓或電荷信號(hào)進(jìn)大器或電荷放大器，對(duì)傳感器輸出的電壓或電荷信號(hào)進(jìn)行放大處理，并實(shí)現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗行放大處理，并實(shí)現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，再用一般的放大檢波電路輸變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，再用一般的放大檢波電路輸入到指示儀表或記錄器。入到指示儀表或記錄器。前置放大器的作用：放大信號(hào)、阻抗變換前置放大器的作用：放大信號(hào)、阻抗變換4040第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4040第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4040R = Ra/Ri C = Cc + Ci4141第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4141第第7章章

36、磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4141 tUCtdFCqUmamaasinsin放大器輸入端電壓放大器輸入端電壓Ui)(1sinCCRjRjtdFUami(6.6.1)(6.6.2)4242第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4242第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4242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 222)(1)(icamimCCCRRdFUUi的幅值的幅值Uim為為)(arctan2RCCCica(6.6.3)(6.6.4)4343第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4343第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電

37、式傳感器4343在理想情況下，傳感器的絕緣電阻在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器輸與前置放大器輸入電阻入電阻Ri都為無(wú)限大，即電荷沒(méi)有泄露都為無(wú)限大，即電荷沒(méi)有泄露,則則(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（，那么由式（6.6.3）可知，理想）可知，理想情況下輸入電壓幅值情況下輸入電壓幅值Uam為為 icamamCCCFdU(6.6.5)它與輸入電壓它與輸入電壓Uim之幅值比為之幅值比為 22)()(1)(=icaicaamimCCCRCCCRUU(6.6.6)4444第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4444第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4444令令 1

38、=)(1=1icaCCCR+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) )(=icaCCCR+即有：即有：22111111amimUU)arctan(2arctan21(6.6.7)(6.6.8)(6.6.9)4545第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4545第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4545 由此得到電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線。由此得到電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線。 當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（=0）時(shí)，則前置放大器的輸入電）時(shí)，則前置放大器的輸入電壓等于零。壓等于零。當(dāng)當(dāng)1時(shí)，即作用力的變化頻率與時(shí)，即作用力的變

39、化頻率與測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)，時(shí)，前置放大器的輸入電壓前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的隨頻率的變化不大。變化不大。當(dāng)當(dāng)3時(shí)，可近似看作輸入電壓與時(shí)，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無(wú)關(guān)。作用力的頻率無(wú)關(guān)。 在測(cè)量回路的時(shí)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，是壓電式傳的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的，是壓電式傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。 圖圖4-14電壓幅值比和電壓幅值比和相角與頻率關(guān)系相角與頻率關(guān)系4646第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4646第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感

40、器第4章 壓電式傳感器4646 說(shuō)明：說(shuō)明： 不能靠增加測(cè)量回路的電容量來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，不能靠增加測(cè)量回路的電容量來(lái)提高時(shí)間常數(shù)， 切實(shí)可行的辦法：提高測(cè)量回路的電阻。切實(shí)可行的辦法：提高測(cè)量回路的電阻。 壓電傳感器與前置電壓放大器之間連接電纜不能壓電傳感器與前置電壓放大器之間連接電纜不能隨意更換，隨意更換， 否則將引入測(cè)量誤差。否則將引入測(cè)量誤差。22)()(1=icamimUCCCRdFUK傳感器的電壓靈敏度傳感器的電壓靈敏度 4747第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4747第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4747 電纜的問(wèn)題并不電纜的問(wèn)題并不是不能解決的。隨著

41、是不能解決的。隨著固態(tài)電子器件和集成固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展以及電路的迅速發(fā)展以及越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，超小型放大器已完全超小型放大器已完全有可能裝入傳感器之有可能裝入傳感器之中，組成一體化傳感中，組成一體化傳感器，如圖所示。器，如圖所示。內(nèi)裝有小型阻抗變換器的壓電內(nèi)裝有小型阻抗變換器的壓電式加速度傳感器式加速度傳感器4848第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4848第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器48486.6.2 電荷放大器電荷放大器圖圖4-15 傳感器接電荷放傳感器接電荷放大器等效電路大器等效電路圖圖4-16 電荷放大器等效電路電荷放大器等

42、效電路fcfoCq UUUo放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。 4949第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器4949第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器4949放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓 ficaoCKCCCKQU)1 (-=)()1 (icafCCCCK+foCQU-當(dāng)當(dāng)：由由“虛地虛地”原理可知，反饋電容原理可知，反饋電容Cf折合到放大器輸入折合到放大器輸入端的有效電容端的有效電容Cf為為 ffCKC)1 (= 電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓U Uo o只取決于輸入電荷與反只取決于輸入電荷與反饋電容饋電容C Cf

43、 f，與電纜電容，與電纜電容C Cc c無(wú)關(guān)，且與無(wú)關(guān)，且與q q成正比。成正比。5050第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5050第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器5050電壓放大器和電荷放大器比較：電壓放大器和電荷放大器比較：1. 電壓放大器輸出電壓與輸入電壓電壓放大器輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出即傳感器的輸出)成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。正比。2. 電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜之；但電壓放大器下限頻率

44、較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時(shí)宜綜合考慮。分布電容有關(guān)，選用時(shí)宜綜合考慮。 5151第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5151第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器5151四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；電電 源：源：220V/50Hz220V/50Hz；控制方式：；控制方式：

45、 計(jì)算機(jī)或手動(dòng)計(jì)算機(jī)或手動(dòng)5252第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5252第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器5252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：6V6V

46、15V15V 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)5353第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5353第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器5353一、填空題一、填空題1.壓電式傳感器是一種典型的（壓電式傳感器是一種典型的（ ）式傳感器，它以）式傳感器，它以某種電介質(zhì)的（某種電介質(zhì)的（ ）為基礎(chǔ)。）為基礎(chǔ)。2.石英晶片在沿著電軸石英晶片在沿著電軸x方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為（現(xiàn)象稱為（ ）壓電效應(yīng)；而把沿機(jī)械軸）壓電效應(yīng)；而把沿機(jī)械軸y方向力方向力的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為（的作用下，產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為（ ）壓電效應(yīng)

47、。）壓電效應(yīng)。二、判斷題二、判斷題1.壓電式傳感器是一種力敏感器件。（壓電式傳感器是一種力敏感器件。（ ）2.石英晶體在光軸方向上有壓電效應(yīng)。（石英晶體在光軸方向上有壓電效應(yīng)。（ ）知識(shí)鞏固知識(shí)鞏固5454第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5454第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器54543.壓電式傳感器能用于靜態(tài)測(cè)量，也適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。壓電式傳感器能用于靜態(tài)測(cè)量，也適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。（ ）三、選擇題三、選擇題1.壓電材料的居里點(diǎn)是（壓電材料的居里點(diǎn)是（ ）消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。）消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。A.壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) B.逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) C橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)2.

48、在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場(chǎng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為（失，這種現(xiàn)象稱為（ ）。）。A.逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) B. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) C壓電元件壓電元件5555第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5555第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器5555 1、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器的振、用石英晶體加速度計(jì)及電荷放大器測(cè)量機(jī)器的振 動(dòng)，已知：加速度計(jì)靈敏度為動(dòng)，已知：加速度計(jì)靈敏度為5pC/g，電荷放大器靈，電荷放大器靈 敏度為敏

49、度為50mV/pC，當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時(shí)相應(yīng)，當(dāng)機(jī)器達(dá)到最大加速度值時(shí)相應(yīng) 的輸出電壓幅值為的輸出電壓幅值為2V，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。，試求該機(jī)器的振動(dòng)加速度。2、一壓電式力傳感器，將它與一只靈敏度、一壓電式力傳感器，將它與一只靈敏度Sv可調(diào)的可調(diào)的電荷放大器聯(lián)接，然后接到靈敏度為電荷放大器聯(lián)接，然后接到靈敏度為Sx=20mm/v的的光線示波器上記錄，現(xiàn)知壓電式壓力傳感器靈敏度光線示波器上記錄，現(xiàn)知壓電式壓力傳感器靈敏度為為Sp=5pc/Pa，該測(cè)試系統(tǒng)的總靈敏度為，該測(cè)試系統(tǒng)的總靈敏度為S=0.5mm/Pa，試問(wèn)：，試問(wèn)：（1）電荷放大器的靈敏度）電荷放大器的靈敏度Sv應(yīng)調(diào)為何值應(yīng)調(diào)

50、為何值(v/Pc)?（2）用該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)）用該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)40Pa的壓力變化時(shí)，光線示的壓力變化時(shí)，光線示波器上光點(diǎn)的移動(dòng)距離是多少？波器上光點(diǎn)的移動(dòng)距離是多少？計(jì)算計(jì)算5656第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5656第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器56566.5 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的特點(diǎn)：壓電式傳感器的特點(diǎn)： 能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器；能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器； 體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍；得到較寬的工作頻率范圍； 靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠；靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠；

51、 有比較理想的線性，且通常沒(méi)有滯后現(xiàn)象；有比較理想的線性，且通常沒(méi)有滯后現(xiàn)象； 低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量； 應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜；低噪聲電纜； 工作原理可逆。工作原理可逆。5757第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5757第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器5757壓電式傳感器主要應(yīng)用類型壓電式傳感器主要應(yīng)用類型 表中列給出了壓電傳感器的主要應(yīng)用類型。目表中列給出了壓電傳感器的主要應(yīng)用類型。目前它們已經(jīng)在工業(yè)、民用和軍事方面得到廣泛應(yīng)用前它們已經(jīng)在工業(yè)、民用

52、和軍事方面得到廣泛應(yīng)用, ,但其中用得最多的還是力敏類型。但其中用得最多的還是力敏類型。5858第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5858第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器58581、壓電式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器 圖圖4-17 單向壓電式測(cè)力傳感器單向壓電式測(cè)力傳感器 圖圖4-18 膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器 如圖如圖4-17示的是示的是YDS-78型壓電式單向力傳感器的結(jié)型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)，它主要用于頻率變化不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。構(gòu)，它主要用于頻率變化不太高的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。5959第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器5959第第7章章 磁電式傳感器

53、磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器59592、壓電式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器 圖圖4-19 壓縮式壓電加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器 壓電元件壓電元件質(zhì)量塊質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱 上，支柱與基座連接，基座與測(cè)試對(duì)象連接。上，支柱與基座連接，基座與測(cè)試對(duì)象連接。6060第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6060第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器60606161第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6161第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6161當(dāng)交變信號(hào)加在壓電當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由陶瓷片兩端面

54、時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短伸長(zhǎng)和縮短 。6262第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6262第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6262 當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)

55、。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。 如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。的換能器稱為壓電超聲換能器。6363第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6363第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6363圖圖4-23 4-23 超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置6464第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6464第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6464當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)

56、生的正弦交流信號(hào)加在壓電陶瓷片當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，在空氣中兩端面時(shí)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，在空氣中激發(fā)出聲波。所以，換能器激發(fā)出聲波。所以，換能器S1是聲頻信號(hào)發(fā)生器。是聲頻信號(hào)發(fā)生器。 當(dāng)當(dāng)S發(fā)出的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)空氣傳播到達(dá)換能器發(fā)出的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)空氣傳播到達(dá)換能器S2時(shí)，時(shí)，空氣振動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用在空氣振動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用在S2的壓電陶瓷片上使之的壓電陶瓷片上使之出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測(cè)出該交變出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測(cè)出該交變信號(hào)。所以，換能器信號(hào)。所以，換能器S2是聲頻信號(hào)接收器。是聲頻信號(hào)接收器。656

57、5第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6565第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6565壓電超聲換能器每壓電超聲換能器每隔一段時(shí)間隔一段時(shí)間(如如1/100s)發(fā)射和接收發(fā)射和接收互換一次。在順流互換一次。在順流和逆流的情況下，和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。差與流速成正比。 6666第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6666第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6666如果地面下一均勻的自來(lái)水直管道某處如果地面下一均勻的自來(lái)水直管道某處O O發(fā)生漏水，水發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)從漏引起的振動(dòng)從O O點(diǎn)向管道兩端傳播，在

58、管道上點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A A、B B兩兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O O點(diǎn)點(diǎn)傳來(lái)的傳來(lái)的t t0 0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出L LA A或或L LB B。6767第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6767第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6767兩者時(shí)間差為兩者時(shí)間差為22vtLLvtLLBA又又L=LA +LB ，所以，所以 6868第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6868第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6868 由于壓電

59、陶瓷元件的自振動(dòng)頻率高，特別適合測(cè)由于壓電陶瓷元件的自振動(dòng)頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車(chē)刀前部的量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車(chē)刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過(guò)刀具傳給壓電下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過(guò)刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化可測(cè)得切削力的變化。錄下電信號(hào)的變化可測(cè)得切削力的變化。6969第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器6969第第7章章 磁電式傳感器磁電式傳感器第4章 壓電式傳感器6969 振動(dòng)板的功用是接收雨滴沖擊的能量，壓電元件振動(dòng)板的功用是接

60、收雨滴沖擊的能量，壓電元件把從振動(dòng)板傳遞來(lái)的變形傳換成電壓。當(dāng)壓電元件上把從振動(dòng)板傳遞來(lái)的變形傳換成電壓。當(dāng)壓電元件上出現(xiàn)機(jī)械變形時(shí)，在兩側(cè)的電極上就會(huì)產(chǎn)生電壓，所出現(xiàn)機(jī)械變形時(shí)，在兩側(cè)的電極上就會(huì)產(chǎn)生電壓，所以，當(dāng)雨滴落到振動(dòng)板上時(shí)，壓電元件產(chǎn)生電壓大小以，當(dāng)雨滴落到振動(dòng)板上時(shí)，壓電元件產(chǎn)生電壓大小與加到振動(dòng)板上的雨滴能量成正比，一般為與加到振動(dòng)板上的雨滴能量成正比，一般為5mV5mV至至300mV300mV。 放大電路將壓電元件上產(chǎn)生的電壓信號(hào)放大放大電路將壓電元件上產(chǎn)生的電壓信號(hào)放大后再輸入到刮水器的放大器中，驅(qū)動(dòng)刮水器工作。后再輸入到刮水器的放大器中，驅(qū)動(dòng)刮水器工作。7、雨滴傳感器、雨