一、壓電傳感器工作原理 壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感

1、2022-1-131 壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量下，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。電測(cè)的目的。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量壓電傳感元件是力敏感元件，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)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，但不能用于靜力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。態(tài)參數(shù)的測(cè)量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響壓電式傳感器具有體積小

2、、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，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)定性高。因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。2022-1-132 天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷電荷Q與所施加的力與所施加的力F成正比成正比 ，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 。還有一些人造的材料也具有壓電效。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。應(yīng)。 若在電介質(zhì)的極

3、化方向上施加交變電壓，若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。2022-1-133 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，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)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)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2022-1-134壓電傳感器中的壓電元件材料有許多：壓電傳

4、感器中的壓電元件材料有許多： 主要有壓主要有壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料，另外還有水溶電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料，另外還有水溶性和鈮酸鋰壓電晶體及壓電半導(dǎo)體。性和鈮酸鋰壓電晶體及壓電半導(dǎo)體。1、石英晶體、石英晶體2022-1-1352022-1-136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2022-1-137 石英晶體在振蕩電路石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振晶振2022-1-138 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比壓電陶瓷是人工制造的多

5、晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷）及非鉛系壓電陶瓷 （如（如BaTiO3等）。等）。2022-1-139 2022-1-1310 2022-1-1311 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚氯乙烯（氯乙

6、烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。2022-1-13122022-1-1313 2022-1-1314 2022-1-1315 2022-1-1316壓電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式，串聯(lián)可提壓電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式，串聯(lián)可提高輸出電壓，并聯(lián)可提高輸

7、出電荷。高輸出電壓，并聯(lián)可提高輸出電荷。2022-1-1317二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路1、傳感器等效電路、傳感器等效電路 壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為 式中，式中，0 0為真空介電常數(shù)：為真空介電常數(shù)：為壓電材料的相對(duì)介電為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；常數(shù)；h h為壓電元件的厚度；為壓電元件的厚度；A A為壓電元件極板面積。為壓電元件極板面積。 hACa02022-

8、1-1318 因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如下圖聯(lián)的電荷源，如下圖a所示，也可以等效為所示，也可以等效為個(gè)電壓個(gè)電壓源，如下圖源，如下圖b所示。所示。 壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜壓電傳感器與測(cè)量?jī)x表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容電容C，放大器的輸入電阻，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci以及傳感以及傳感器的泄漏電阻器的泄漏電阻Ra。QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Caa)a)電荷源電荷源 b)b)電壓源電壓源 2022-1-13192、基本測(cè)量電路、基本測(cè)量電路 壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)

9、微弱，壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測(cè)壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)用：一是把傳感器的高阻抗輸?shù)那爸梅糯笃饔袃蓚€(gè)用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。行放大。 2022-1-1320（1 1）電壓放大器電壓放大器 壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖壓

10、電傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖a a所示。所示。圖圖b b是簡(jiǎn)化后的等效電路，其中，是簡(jiǎn)化后的等效電路，其中，u ui i為放大器輸入電壓；為放大器輸入電壓； C C= =C CC C+ +C Ci i； ；u ua a= =Q Q/ /C Ca a。 如果壓電傳感器受力為如果壓電傳感器受力為: :F F= =F Fm msinsint t ；則在壓電元件上則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為產(chǎn)生的電壓為 iaiaRRRRRtCdFuamisinuaCaCcCiRaRiR1R2+-uaCaCRui a) b)a) b)2022-1-1321而在放大器輸入端形成的電壓為而在放大器輸入端形成的電壓為

11、當(dāng)當(dāng)1時(shí)，放大器的輸入電壓為時(shí)，放大器的輸入電壓為 dFCCRjRjuCjRCjRCjCjRCjRuaaai)(111111FCCCduacii2022-1-1322（2 2）電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的前置放大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中等效電路。圖中C C為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的意義與電壓放大器相同。意義與電壓放大器相同。 QCaCcCiRaRiCfRfN2022-1-1323如果忽略電阻如果忽略電阻Ra

12、、Ri及及Rf的影響，則輸入到放大器的影響，則輸入到放大器的電荷量為：的電荷量為：Qi=Q-Qf 式中，式中，A為開(kāi)環(huán)放大系數(shù)。所以有為開(kāi)環(huán)放大系數(shù)。所以有 fffifCAUACUAUCUUQ0000)1 ()()()()(0aciaciiiCCCAUCCCUQffaciCAUAQCAUAQCCCAU000)1 ()1 ()(2022-1-1324故放大器的輸出電壓為故放大器的輸出電壓為當(dāng)當(dāng)A1，而，而(1+A)Cf時(shí)，放大器輸出電壓可以表示時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為為faciCACCCAQU)1 (0fCQU02022-1-1325 .2022-1-1326 靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 頻率范圍：頻率范圍：0.3100KHz 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5V 準(zhǔn)準(zhǔn) 確確 度：度：1% 最大輸出：最大輸出：10V/10mA 電電 源：源：220V/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)2022-1-1327 主要指標(biāo)主要指標(biāo):