第9章 壓電測量技術(shù)

1、第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求 1. 1. 了解壓電效應(yīng)及石英晶體、陶瓷的壓電效應(yīng)；了解壓電效應(yīng)及石英晶體、陶瓷的壓電效應(yīng)； 2. 2. 掌握壓電式傳感器的等效電路；掌握壓電式傳感器的等效電路； 3. 3. 熟悉電壓放大器原理及使用特點；熟悉電壓放大器原理及使用特點； 4. 4. 熟悉電荷放大器的特點及使用注意事項；熟悉電荷放大器的特點及使用注意事項； 5 .5 .了解壓電式傳感器的簡單應(yīng)用。了解壓電式傳感器的簡單應(yīng)用。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電式傳感器：壓電式傳感器：利用壓電材料的利用壓電材料的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓電材

2、料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。利用壓電材料可以制成電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。利用壓電材料可以制成力敏元件。力敏元件。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：有些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冇行┎牧?，?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)

3、。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變。作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變。逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：在這些材料的極化方向施加電場，它們就會產(chǎn)在這些材料的極化方向施加電場，它們就會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為生變形，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“電致伸縮效電致伸縮效應(yīng)應(yīng)”。 壓電材料：壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。 以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到

4、力F F作用，在作用，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷Q Q，力，力F F與電荷與電荷Q Q之間存在如下關(guān)系之間存在如下關(guān)系 ：FdQd 壓電常數(shù)壓電常數(shù)F+q=DF第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面用單位面積上的力和電荷來表征壓電效應(yīng)時，得到：積上的力和電荷來表征壓電效應(yīng)時，得到： jijjidP j方向受力時在方向受力時在i方方向上電荷積累的表面向上電荷積累的表面密度密度(即沿即沿i方向的極方向的極化強度化強度)； 沿方向沿方向j j施加外力施加外力時，單位面積上感時，

5、單位面積上感受的應(yīng)力；受的應(yīng)力； 壓電常數(shù)壓電常數(shù)( j方向受方向受應(yīng)力，在應(yīng)力，在i方向產(chǎn)生電方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù)荷時的壓電常數(shù))。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電常數(shù)壓電常數(shù)dij有兩個下腳注有兩個下腳注 :第第1個下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的個下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂直于表面垂直于x軸軸(y軸或軸或z軸軸)，記作，記作i=1（或（或2或或3）。）。 第第2個下腳注：個下腳注：j=1或或2、3、4、5、6，分別表示在沿，分別表示在沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于x軸、軸、y軸、軸、z軸的平面

6、內(nèi)作用的剪切力。軸的平面內(nèi)作用的剪切力。 jijjidP第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列方程組決定：下列方程組決定： 636535434333232131362652542432322212126165154143132121111ddddddPddddddPddddddPP1、P2、P3：分別為在垂直于分別為在垂直于x軸、軸、y軸和軸和z軸的表面上產(chǎn)生的總軸的表面上產(chǎn)生的總的電荷密度；的電荷密度； 1、 2 、 3：表示晶體分別沿表示晶體分別沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向所受的外軸方向所受的

7、外力分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力；力分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力； 4、 5、 6：為剪切應(yīng)力分量。為剪切應(yīng)力分量。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下：矩陣表示如下： 363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：000000200000001114141111ddddd第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) khkhEd（k=1、2、3；h=1、2

8、、3、4、5、6） 沿沿h方向的應(yīng)變。方向的應(yīng)變。 沿沿k方向施加的電場。方向施加的電場。 hkE石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示：石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示： 321111414111165432102000000000000EEEddddd第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 結(jié)論：結(jié)論：1 1）有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。應(yīng)。晶體中，哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則此方晶體中，哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。向上必定存在逆壓電效應(yīng)。2 2）逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)）逆壓電效應(yīng)的

9、壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)相等，且一一對應(yīng)。一般有：相等，且一一對應(yīng)。一般有：逆壓電效應(yīng)中壓電逆壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。陣。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電常數(shù)壓電常數(shù)d dij ij的物理意義的物理意義 在在“短路條件短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。 “短路條件短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在生就被引開，因而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)二次效應(yīng)”的理想條件。壓電常數(shù)的理想條件。壓電常數(shù)

10、d d有時也稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。有時也稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) （1）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)g：它表示在不計它表示在不計“二次效應(yīng)二次效應(yīng)”的條件下，每單的條件下，每單位位應(yīng)力應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度，因此有時也稱為壓電電壓在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度，因此有時也稱為壓電電壓常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)d除以晶體的絕對介電常數(shù)，即除以晶體的絕對介電常數(shù)，即： 0rdg （2）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)h：它表示在不計它表示在不計“二次效應(yīng)二次效應(yīng)”條件下，每單位條件下，每單位機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。因而在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。因而h常

11、數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓電晶體材料的機(jī)械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)電晶體材料的機(jī)械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)g和晶體的和晶體的楊氏模量楊氏模量E的乘積：的乘積：gEh 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.2 壓電材料壓電材料選擇壓電材料的要求：選擇壓電材料的要求： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強度高，機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強度高，機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率； 電性能

12、：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期得到較溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期得到較寬的工作溫度范圍；寬的工作溫度范圍； 時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性 : : 壓電特性不隨時間變化。壓電特性不隨時間變化。 壓電晶體分類：壓電晶體分類：單晶體：石英晶體等單晶體：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等多晶體：壓電陶瓷等第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 石英晶體石英晶體有石英晶體有天然的石英天然的石英和和人工石英單晶體人

13、工石英單晶體兩種。兩種。 結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體，有結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體，有右旋石英晶體和左旋石英晶體之右旋石英晶體和左旋石英晶體之分，其理想外形共包括三十個晶分，其理想外形共包括三十個晶面，分成五組。以面，分成五組。以 m、R、r、s和和x表示。六個表示。六個m面也稱柱面，六個面也稱柱面，六個R面也稱大棱面，六個面面也稱大棱面，六個面r也稱為也稱為小棱面，還有六個小棱面，還有六個s面和六個面和六個x面。面。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) x軸：軸：與與z軸垂直的平面上，并通過相對兩棱的直線軸垂直的平面上，并通過相對兩棱的直線(有三個有三個)，又稱為又稱為電軸電軸。y軸：軸：與

14、與x軸、軸、z軸垂直的是軸垂直的是y軸，又稱為軸，又稱為機(jī)械軸機(jī)械軸；z軸：軸：晶體對稱軸，又稱為晶體對稱軸，又稱為光軸光軸；x切割：切割：截得的壓電元件之兩個端面與截得的壓電元件之兩個端面與x軸相垂直；軸相垂直；y切割：切割：截得的壓電元件中的兩個端面與截得的壓電元件中的兩個端面與y軸相垂直。軸相垂直。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng)a) a) 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng): :沿電軸沿電軸X-XX-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)的壓電效應(yīng). .xxFdQdFQ11第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電晶體的

15、三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng) b) b) 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng): :沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸Y-YY-Y方向的力作用下產(chǎn)生電方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)荷的壓電效應(yīng). .yFdQ12第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng)c) c) 切向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 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2020200200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%/-0.016%/，在溫度較低時，壓電常數(shù)的變化很小。在溫度較低時，壓電常

16、數(shù)的變化很小。 居里點：居里點：573 573 石英晶體的石英晶體的相對介電常數(shù)較小相對介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。，溫度穩(wěn)定性很好。機(jī)械強度很高，性能穩(wěn)定，機(jī)械強度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫（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。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成。組成。1 1）極化前）極化前 它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的“電疇電疇”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 特點：特點：“電電疇

17、疇”是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任意排列的，雖然每個單晶具有強壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，意排列的，雖然每個單晶具有強壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。 原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 2 2）極化后）極化后極化處理：極化處理：在一定溫度下，對壓電陶瓷施加強電場，在一定溫度下，對壓電陶瓷施加強電場，使電疇的自發(fā)極化方向按外加電場的方向取向。使電疇的自發(fā)極化方向按外加電場

18、的方向取向。 壓電陶瓷 1 電場撤消，電疇的自發(fā)極化在按原外加電場方向取向，陶瓷內(nèi)極化強度不再為零。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，即由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，即由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。極化方向定義為極化方向定義為z z軸。壓電陶瓷穩(wěn)定性軸。壓電陶瓷穩(wěn)定性較石英晶體差。較石英晶體差。2 在陶瓷片極化的兩端就出現(xiàn)束縛正負(fù)電荷。在陶瓷片的電極表面上很快吸附了一層來自外界的自由電荷。3自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，起屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用,陶瓷片內(nèi)不表現(xiàn)極性4陶

19、瓷片上加一個與極化方向平行的力,陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形5片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，原來吸附在極板上的自由電荷，有一部分被釋放6 壓力撤消，恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正負(fù)電荷之間的距離變大，極化強度也變大，電極上又吸附一部分自由電荷第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電陶瓷的種類壓電陶瓷的種類 : 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷系壓電陶瓷 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN) 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷需要指出需要指出: 通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明

20、顯的顯的熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片或兩片以上在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片或兩片以上組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。1）并聯(lián)法）并聯(lián)法 Q=2Q ; U=Ua ; C= 2 Ca壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 2)串聯(lián)法串聯(lián)法Q=Q ; U=2Ua ; C= 2aC比較：比較：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)載后時間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場負(fù)載后時間常

21、數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場合，相對來說允許被測對象變化頻率稍低。串聯(lián)接法合，相對來說允許被測對象變化頻率稍低。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輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。的場合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路9.3.1 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件壓電元件是壓電式傳感器的是壓電式傳感器的敏感元件敏感元件。 當(dāng)它受到外力作用時，就會在垂直于電軸或垂直于當(dāng)它受到外力作用時，就會在垂直于電軸或垂直于極化

22、方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個表面上聚集正電荷，極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個表面上聚集正電荷，在另一個表面上聚集等量的負(fù)電荷。在另一個表面上聚集等量的負(fù)電荷。 可以把可以把壓電式傳感器壓電式傳感器看作一個看作一個靜電電容器靜電電容器。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 電容量電容量: tstsCra0S電容器極板面積；電容器極板面積；t壓電元件厚度壓電元件厚度壓電材料的介電常數(shù)；壓電材料的介電常數(shù)；0真空的介電常數(shù)；真空的介電常數(shù)；r壓電材料的相對介電常數(shù)，壓電材料的相對介電常數(shù)，隨材料不同而變。隨材料不同而變。 Ca壓電元件的內(nèi)部電容。壓電元件的內(nèi)部電容。 1.等效電路等效電路1）

23、電荷源）電荷源 可等效成為一個可等效成為一個電荷電荷源源和一個和一個電容電容的等效電的等效電路。路。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 電容器上的電壓電容器上的電壓Ua（開路電壓）、電荷（開路電壓）、電荷Q與電容與電容Ca之間存在著以下關(guān)系：之間存在著以下關(guān)系： aaCQU2)電壓源電壓源可以等效為一個可以等效為一個電壓源電壓源和一個和一個串聯(lián)電容串聯(lián)電容表示的表示的電壓等效電路。電壓等效電路。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.3.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 1）測量系統(tǒng)框圖）測量系統(tǒng)框圖第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 2）完整的等效電路）完整的

24、等效電路 Ra為傳感器的絕緣電阻；為傳感器的絕緣電阻； Ri為前置放大器的輸入電阻；為前置放大器的輸入電阻； Ca為傳感器內(nèi)部電容為傳感器內(nèi)部電容 Cc為電纜電容；為電纜電容； Ci為前置放大器輸入電容為前置放大器輸入電容。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 靈敏度有兩種靈敏度有兩種:電壓靈敏度電壓靈敏度Ku:單位力的電壓單位力的電壓; Ku=U/F電荷靈敏度電荷靈敏度Kq:單位力的電荷單位力的電荷; Kq=Q/F兩種靈敏度的關(guān)系兩種靈敏度的關(guān)系:3）壓電傳感器的靈敏度）壓電傳感器的靈敏度aCKKQU第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.4 9.4 測量電路測量電路 1.引言引言

25、壓電器件是一個有源電容器：高內(nèi)阻、小功率（信號弱）壓電器件是一個有源電容器：高內(nèi)阻、小功率（信號弱）放大放大阻抗變換阻抗變換第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 前置放大器作用前置放大器作用將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出;起放大傳感器微弱信號的作用。起放大傳感器微弱信號的作用。 傳感器的輸出可以是電壓信號傳感器的輸出可以是電壓信號(把傳感器看作電壓把傳感器看作電壓發(fā)生器發(fā)生器)；也可以是電荷信號；也可以是電荷信號(把傳感器看作電荷發(fā)生把傳感器看作電荷發(fā)生器器) 傳感器的輸出信號應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入傳感器的輸出信號應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗

26、的阻抗的前置放大器前置放大器。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 主要區(qū)別：主要區(qū)別： 使用使用電壓放大器電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其電纜長度變化更為明顯敏感，尤其電纜長度變化更為明顯; 使用使用電荷放大器電荷放大器時，電纜時，電纜長度變化的影響可忽略不計。長度變化的影響可忽略不計。 前置放大器有兩種：前置放大器有兩種：電壓放大器電壓放大器: : 輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器；器；電荷放大器

27、電荷放大器: : 輸出電壓與輸入電荷成比例。輸出電壓與輸入電荷成比例。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.4.1 電壓放大器電壓放大器 電容器電容器放放電特性：電特性： 電容器兩端的電壓將按指數(shù)電容器兩端的電壓將按指數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定于測規(guī)律變化，放電的快慢決定于測量回路的時間常數(shù)量回路的時間常數(shù) ， 越大，越大，放電越慢；反之，放電就越快。放電越慢；反之，放電就越快。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 可見可見：只有在：只有在測量回路開路測量回路開路情況，也就是傳感器情況，也就是傳感器本身的絕緣電阻本身的絕緣電阻Ra無限大的情況，才能使傳感器的輸無限大的情況，才能使

28、傳感器的輸出電壓（或電荷）保持不變出電壓（或電荷）保持不變; 如果傳感器本身的如果傳感器本身的絕緣電阻絕緣電阻不是足夠大，電荷就不是足夠大，電荷就會通過這個電阻很快漏掉。會通過這個電阻很快漏掉。 傳感器與測量儀器連接應(yīng)考慮傳感器與測量儀器連接應(yīng)考慮:電纜電容電纜電容;前置放大器的輸入電容和輸入電阻前置放大器的輸入電容和輸入電阻; 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 等效電阻等效電阻R ：iaiaRRRRR等效電容等效電容C：icaCCCCRa:傳感器的絕緣電阻；傳感器的絕緣電阻；Ri:前置放大器的輸入電阻；前置放大器的輸入電阻；Ca:傳感器內(nèi)部電容傳感器內(nèi)部電容;Cc:電纜電容；電纜電容

29、；Ci:前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 前置放大器的輸入電壓前置放大器的輸入電壓 為為 srURCRIUsrj1 設(shè)作用在壓電元件上的力為設(shè)作用在壓電元件上的力為F，其幅值為，其幅值為Fm，頻，頻率為率為 。即。即 在力在力F的作用下，產(chǎn)生的電荷的作用下，產(chǎn)生的電荷Q為為 Q=dF 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) tCosdFtQimdd寫成復(fù)數(shù)形式寫成復(fù)數(shù)形式 FdIjRCRFdUsrj1j前置放大器的輸入電壓的幅值前置放大器的輸入電壓的幅值Uim22)()(1icamimCCCRRdFU第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 輸

30、入電壓與作用力之間的相位差用輸入電壓與作用力之間的相位差用 為為RCCCica)(arctan2 理想情況下，傳感器的絕緣電阻理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器和前置放大器的輸入電阻的輸入電阻Ri都為無限大，即等效電阻都為無限大，即等效電阻R為無限大的情為無限大的情況，電荷沒有泄漏（即傳感器的開路電壓）況，電荷沒有泄漏（即傳感器的開路電壓） 。 前置放大器輸入電壓的幅值前置放大器輸入電壓的幅值UamicaamCCCdFU它與輸入電壓它與輸入電壓Uim之幅值比之幅值比22)()(1)(icaicaamimCCCRCCCRUU第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 令令 1)(11ic

31、aCCCR為測量回路的時間常數(shù)為測量回路的時間常數(shù) )(icaCCCR即有：即有：22111111amimUU)arctan(2arctan21第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系 當(dāng)作用在壓電元件上的力是當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力靜態(tài)力（ =0）時，前置放大）時，前置放大器的輸入電壓等于零。器的輸入電壓等于零。 當(dāng)當(dāng) 1時，作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的時，作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的乘積乘積遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于1時，前置放大器的輸入電壓時，前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的變化不大。隨頻率的變化不大。 當(dāng)當(dāng) 3

32、時，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。時，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 說明：說明： 在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳感在測量回路的時間常數(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。器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的。 但應(yīng)當(dāng)指出但應(yīng)當(dāng)指出:不能靠增加測量回路的電容量來提不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)高時間常數(shù)(傳感器的電壓靈敏度是與電容成反比傳感器的電壓靈敏度是與電容成反比)。 2233)()(1icamimUCCCRdFUK 增加測量回路的電容量必然會使傳感器的靈敏度增加測量回路的電容量必然會使傳感器的靈敏度下降低。下降

33、低。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 可行的辦法可行的辦法:提高測量回路的電阻。提高測量回路的電阻。 傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測量回路的電傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。 放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。 提高提高前置前置放大器輸入電阻放大器輸入電阻采取的方法：采取的方法：采用場效應(yīng)管。采用場效應(yīng)管。 壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時，連接壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時，連接電

34、纜不能太長。電纜長，電纜電容電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 解決電纜問題的方法解決電纜問題的方法:將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.4.2 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，且輸出電源正比于輸入電荷。電壓源，且輸出電源正比于輸入電荷。 一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作

35、用，其一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)輸入阻抗高達(dá)10101012， 而輸出阻抗小于而輸出阻抗小于100。 使用電荷放大器優(yōu)點使用電荷放大器優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。靈敏度與電纜長度無關(guān)。 工作原理工作原理 電荷放大器是一個具電荷放大器是一個具有深度電容負(fù)反饋的高增有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器。益放大器。 K:放大器的開環(huán)增益放大器的開環(huán)增益 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 電荷放大器的輸入級采用了場效應(yīng)晶體管，因此放電荷放大器的輸入級采用了場效應(yīng)晶體管，因此放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電大器

36、的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷荷Q只對反饋電容只對反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓輸出電壓:fcscCQUUfUsc放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端的電壓。反饋電容兩端的電壓。 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系均無關(guān)系 。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量量Q變化成線性

37、關(guān)系的輸出電壓。反饋電容變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容Cf小，輸出小，輸出就大，因此要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，必須選擇就大，因此要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，必須選擇適當(dāng)容量的反饋電容。適當(dāng)容量的反饋電容。 電荷放大器電荷放大器輸出輸出電壓公式電壓公式: 由由“虛地虛地”原理可知，原理可知，反饋電容反饋電容Cf折合到放大器輸折合到放大器輸入端的有效電容入端的有效電容Cf為為 ffCKC)1 ( 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電元件產(chǎn)生的電荷壓電元件產(chǎn)生的電荷Q不僅對反饋電容充電，同不僅對反饋電容充電，同時也對其它所有電容充電。時也對其它所有電容充電。放大器的輸出電壓放大器的輸

38、出電壓 ficascCKCCCKQU)1 ( 可見可見：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大器的開環(huán)增益器的開環(huán)增益K足夠高，并滿足以下條件：足夠高，并滿足以下條件： )()1 (icafCCCCK放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓為 fscCQU 一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻Rf(約約108 1010 )，其功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷，其功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定。放大器工作穩(wěn)定。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 設(shè)設(shè) C= Ca+Ci+Cc有有 Q=Qf+QcUa:

39、 Qc =Ua C 電容電容Cf 的兩端電壓為的兩端電壓為Uf：Uf: Qf = Uf Cf Q= Ua C + Uf Cf Uf= Ua-UscUsc=-k Ua Uf=（1+k）Ua Q= Ua c+（1+k） Cf ficascCKCCCKQU)1 ( 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 使用電荷放大器的幾點說明使用電荷放大器的幾點說明 1 1）輸入端短路）輸入端短路 場效應(yīng)管作為屬于電流控制型器件，需將傳感器兩端短場效應(yīng)管作為屬于電流控制型器件，需將傳感器兩端短接。接。 2 2）漂移）漂移 由于漏電阻較小，靜態(tài)測量中出現(xiàn)漂移。由于漏電阻較小，靜態(tài)測量中出現(xiàn)漂移。 3 3）工作頻帶

40、）工作頻帶 下限：取決于全系統(tǒng)的電氣特性，即時間常數(shù)下限：取決于全系統(tǒng)的電氣特性，即時間常數(shù) 。 上限：取決于傳感器的機(jī)械特性，與兩種因素有關(guān)：運上限：取決于傳感器的機(jī)械特性，與兩種因素有關(guān)：運算放大器的頻率響應(yīng)；電纜長度。算放大器的頻率響應(yīng)；電纜長度。 4 4）電標(biāo)或歸一化處理）電標(biāo)或歸一化處理 電荷放大器中設(shè)有歸一化開關(guān)，如設(shè)置電荷放大器的放電荷放大器中設(shè)有歸一化開關(guān)，如設(shè)置電荷放大器的放大倍數(shù)為大倍數(shù)為“1”1”，僅需將放大器上的傳感器靈敏度，設(shè)為，僅需將放大器上的傳感器靈敏度，設(shè)為所用傳感器的靈敏度，則可由放大器的輸出直接讀出被所用傳感器的靈敏度，則可由放大器的輸出直接讀出被測物理量的

41、大小。如壓力測量，歸一化處理后，輸出為測物理量的大小。如壓力測量，歸一化處理后，輸出為50mv50mv，則被測壓力為，則被測壓力為5050個機(jī)械單位，該單位取決于傳感個機(jī)械單位，該單位取決于傳感器的靈敏度單位，如器的靈敏度單位，如7.127.12mv/kpamv/kpa50kpa50kpa。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件直接成為力壓電元件直接成為力電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機(jī)械上串關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機(jī)械上串聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、

42、晶片的幾何尺寸和合理的傳力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 壓電元件的壓電元件的變形方式變形方式以利用以利用縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)的的TE方式為最簡便。方式為最簡便。 壓電材料的選擇決定壓電材料的選擇決定:所測力的量值大小、對測所測力的量值大小、對測量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 晶片數(shù)目晶片數(shù)目:通常使用通常使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。的兩片。 晶片機(jī)械串聯(lián)的數(shù)目增加會導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾晶片機(jī)械串聯(lián)的數(shù)目增加會導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾能力的降低能力的降低; 晶片晶片機(jī)械上并聯(lián)的片數(shù)增加會導(dǎo)致傳感器加

43、工精度機(jī)械上并聯(lián)的片數(shù)增加會導(dǎo)致傳感器加工精度過高過高 。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 晶體片為晶體片為X切割石英晶片，尺寸為切割石英晶片，尺寸為 81mm ，上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為0.10.5mm,由測力范圍（由測力范圍（Fmax=500Kg）決定。決定。絕緣套用來絕緣套用來絕緣和定位。絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、基座內(nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求。否則會使橫向靈電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求。否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集

44、中而過早破壞。敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破壞。提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。接觸面不可能絕對平坦，需要施加預(yù)緊力，保證全面均勻接觸接觸面不可能絕對平坦，需要施加預(yù)緊力，保證全面均勻接觸1.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器YDS781型單向壓電型單向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 2.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器1）結(jié)構(gòu)特點：）結(jié)構(gòu)特點

45、：2）溫度補償方法：）溫度補償方法：3）加速度補償原理）加速度補償原理(膜片式膜片式)第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 1）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點膜片的作用：密封、傳遞壓力，對傳感器內(nèi)部膜片的作用：密封、傳遞壓力，對傳感器內(nèi)部器件進(jìn)行預(yù)緊；器件進(jìn)行預(yù)緊；采用多片晶體機(jī)械上串聯(lián)、電氣上并聯(lián)，以提采用多片晶體機(jī)械上串聯(lián)、電氣上并聯(lián)，以提高傳感器的電荷靈敏度；高傳感器的電荷靈敏度；殼體的剛度較大。殼體的剛度較大。2）溫度補償方法）溫度補償方法原因原因：當(dāng)被測環(huán)境的溫度變化時，膜片及傳感：當(dāng)被測環(huán)境的溫度變化時，膜片及傳感器器殼體殼體會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓電晶體產(chǎn)生額外會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓電晶體產(chǎn)生

46、額外的電荷輸出，因此需進(jìn)行溫度補償。（如測量的電荷輸出，因此需進(jìn)行溫度補償。（如測量火藥燃?xì)鈮毫Γ┗鹚幦細(xì)鈮毫Γ┑诘? 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 3）加速度補償原理）加速度補償原理原因原因：當(dāng)被測壓力的環(huán)境具有沖擊和振動的影響時，：當(dāng)被測壓力的環(huán)境具有沖擊和振動的影響時，由于壓電晶體及相關(guān)傳感器附件都具有質(zhì)量，則在由于壓電晶體及相關(guān)傳感器附件都具有質(zhì)量，則在加速度的作用下會產(chǎn)生慣性力，該慣性力作用在壓加速度的作用下會產(chǎn)生慣性力，該慣性力作用在壓電晶體堆上也會因加速度的影響產(chǎn)生附加的電荷輸電晶體堆上也會因加速度的影響產(chǎn)生附加的電荷輸出。出。補償方法補償方法采用溫度補償金屬塊，選用采用溫度

47、補償金屬塊，選用溫度系數(shù)與膜片及殼體相反溫度系數(shù)與膜片及殼體相反的金屬塊。的金屬塊。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 補償方法補償方法：采用加速度補償塊及補償晶片，使采用加速度補償塊及補償晶片，使加速度產(chǎn)生的額外電荷輸出與補償晶片產(chǎn)生的加速度產(chǎn)生的額外電荷輸出與補償晶片產(chǎn)生的電荷輸出正好抵消電荷輸出正好抵消。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 3.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器引言：引言： 加速度測量方法及傳感器分類：絕對式、相對式加速度測量方法及傳感器分類：絕對式、相對式 (慣性式慣性式)慣性式慣性式:牽連運動牽連運動相對運動相對運動1)結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理(壓縮式壓電加速度

48、傳感器壓縮式壓電加速度傳感器)第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 2）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點基座：加厚基座或選用剛度較大的材料；基座：加厚基座或選用剛度較大的材料；質(zhì)量塊質(zhì)量塊m：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏度；度；引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍銀電板；銀電板；預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 3）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù)有有：)()()()(2222tkydttdycdttyddttxd

49、mmkn（1）引入引入：mkc2第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 被測加速度為被測加速度為)()(22tadttxd則式（則式（1）可寫成：）可寫成：atydttdydttydnn)()(2)(222jjHnnnn2)(111)(2222222)(4)(1 11)(nnnaA第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 2)(12)(nnaarctg結(jié)論結(jié)論：上限頻率取決于傳感器的機(jī)械特性；：上限頻率取決于傳感器的機(jī)械特性； 下限頻率取決于測量電路的時間常數(shù)下限頻率取決于測量電路的時間常數(shù)。（4）橫向靈敏度）橫向靈敏度 指傳感器對垂直于主軸平面內(nèi)的加速度的最大靈敏度。指傳感器對垂直于主軸平

50、面內(nèi)的加速度的最大靈敏度。22222)(4)(1 1)(nnanA第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因（1） 壓電材料性能的不均勻、壓電壓電材料性能的不均勻、壓電片表面粗糙或兩個表面不平行、壓電片表面粗糙或兩個表面不平行、壓電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；片表面有雜質(zhì)或接觸不良；（2） 晶體片切割或極化方向有偏差；晶體片切割或極化方向有偏差； （3） 傳感器基座上下兩端互相不平傳感器基座上下兩端互相不平行；行；（4） 基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面不平；基座平面不平；（5） 質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不緊；緊；（6）

51、 傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不對稱。對稱。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) ：9.6 9.6 引起壓電式傳感器測量誤差的因素引起壓電式傳感器測量誤差的因素 9.6.1 環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響 周圍環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常周圍環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。 1）石英晶體）石英晶體 石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至200，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)

52、幾乎不變，在200400范圍內(nèi)變化也不大。范圍內(nèi)變化也不大。 2）壓電陶瓷）壓電陶瓷 人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體上如圖所示。壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體上如圖所示。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定性，一般應(yīng)進(jìn)行定性，一般應(yīng)進(jìn)行人工老化處理人工老化處理。 人工老化處理人工老化處理: 將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加溫和降溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二溫和降

53、溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二小時。小時。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。 普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。 壓電材料的電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律減壓電材料的電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)

54、律減小的。小的。 傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)重要的部件。普傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)重要的部件。普通電纜是不能耐通電纜是不能耐700以上高溫的。以上高溫的。 電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機(jī)電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機(jī)絕緣材料中使絕緣電阻減低。絕緣材料中使絕緣電阻減低。第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.6.2 環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度的影響 環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能影響很大。如傳感環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能影響很大。如傳感器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞

55、。電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。 要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等聚苯乙烯、陶瓷等。 零件表面的光潔度要高零件表面的光潔度要高。 對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)采取防潮密封措施，在容易漏氣或進(jìn)水的輸出引線接采取防潮密封措施，在容易漏氣或進(jìn)水的輸出引線接頭處用特殊材料加以密封。頭處用特殊材料加以密封。 第第9 9章章 壓電測量技術(shù)壓電測量技術(shù) 9.6.3 電纜噪聲電纜噪聲 壓電式傳感器的信號電纜一般采用小型同軸導(dǎo)線，壓電式傳感器的信號電纜一般采用小型同軸導(dǎo)線，這