磁電、壓電與熱電式傳感器

1、第四節(jié)第四節(jié)磁電、壓電與熱電式傳感器磁電、壓電與熱電式傳感器2016年4月26日一、磁電傳感器一、磁電傳感器基本原理：利用電磁感應(yīng)原理，將輸入(如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩運(yùn)動(dòng)速度)轉(zhuǎn)換成線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：有源傳感器：不需要提供電源有源傳感器：不需要提供電源;如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩具有雙向轉(zhuǎn)換特性具有雙向轉(zhuǎn)換特性;具有較大的輸出功率具有較大的輸出功率;只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。1.1 磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器的工作原理1.2 動(dòng)圈式磁電傳感器1.3 磁阻式磁電傳感器一、磁電傳感器一、磁電傳感器1.1 磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器的工作原理

2、由法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)由法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在均恒磁場(chǎng)中匝線圈在均恒磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過線圈的磁通為，則線圈的感應(yīng)電，則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)E為為：dENdt 線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線，感線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線，感生電勢(shì)為：生電勢(shì)為：sinsindxENBlNBlvdtB：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；l:每匝線圈的有效長(zhǎng)度每匝線圈的有效長(zhǎng)度：運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；：運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；v:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s線圈相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并切割磁力線，感生電線圈

3、相對(duì)磁場(chǎng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并切割磁力線，感生電勢(shì)為：勢(shì)為：sinsindeNBSNBSdtS：每匝線圈的圍成的面積：每匝線圈的圍成的面積：線圈平面法線方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；：線圈平面法線方向與磁場(chǎng)方向之間的夾角；:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角速度1.1 磁電式傳感器的工作原理1.2 動(dòng)圈式磁電傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器1.3 磁阻式磁電傳感器一、磁電傳感器一、磁電傳感器1.2 動(dòng)圈式磁電傳感器動(dòng)圈式磁電傳感器 1. 1. 動(dòng)圈式磁電傳感器原理動(dòng)圈式磁電傳感器原理2. 2. 動(dòng)圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)動(dòng)圈式磁電傳感器結(jié)構(gòu)1. 動(dòng)圈式磁電傳感器原理NS永久磁鐵線圈彈簧傳感器原理傳感器

4、原理如果在線圈運(yùn)動(dòng)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度如果在線圈運(yùn)動(dòng)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度B是均勻的，是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度為則當(dāng)線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度為時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： sinaENBl當(dāng)當(dāng)90，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：aENBl當(dāng)當(dāng)N、B和和la恒定不變時(shí)，恒定不變時(shí)，E與與=dx/dt成正比，成正比，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。的大小就可以知道被測(cè)速度的大小。 動(dòng)圈式演示動(dòng)圈式演示5.1 磁電式傳感器磁電式傳感器5.1.1 磁電式傳感器的工作原理5.1.2 動(dòng)圈式磁電傳感器5.1.3 磁阻式磁電傳感器磁阻式磁電傳感器5.1.4

5、磁電式傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.3 磁阻式磁電傳感器磁阻式磁電傳感器 線圈和磁鐵部分都是相對(duì)靜止的，物體在運(yùn)動(dòng)中，它線圈和磁鐵部分都是相對(duì)靜止的，物體在運(yùn)動(dòng)中，它們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在們改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁能量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。用來測(cè)量用來測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。出，而電勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：開磁路、閉磁路：開磁路、閉磁路 開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器開磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 1永久磁鐵永久磁鐵3感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈2軟鐵軟鐵4齒

6、輪齒輪 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但輸出信號(hào)較小，當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。當(dāng)被測(cè)軸振動(dòng)較大時(shí)，傳感器輸出波形失真較大。 閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器閉磁路磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 閉磁路閉磁路磁組式轉(zhuǎn)速傳感器磁組式轉(zhuǎn)速傳感器采用在振動(dòng)強(qiáng)的場(chǎng)合，有下限工作頻率（50Hz ）傳感器的輸出電勢(shì)取決于線圈中磁場(chǎng)變化速度，二、壓電傳感器二、壓電傳感器 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)的傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效壓電效應(yīng)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)非電量電測(cè)的為基礎(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)

7、非電量電測(cè)的目的。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)量最終能變換為力的那些非電，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，但物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量量。 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)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。 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

8、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。2.12.1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

9、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。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)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述，為：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面上的總電荷量面上的總電荷量（C C）；）

10、； jj方向的應(yīng)力方向的應(yīng)力( (Ncm2) )；Fjj方向的作用力；方向的作用力；dij壓壓電常數(shù)電常數(shù)( (CN) )，( (i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6) )。 iijjiijjqdQd F或壓電方程中兩個(gè)下標(biāo)的含義如下：下標(biāo)壓電方程中兩個(gè)下標(biāo)的含義如下：下標(biāo)i表示晶體的極表示晶體的極化方向，當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂于化方向，當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂于x軸軸( (y軸或軸或z軸軸) )時(shí)，記時(shí)，記i=1( (或或2，3) )。下標(biāo)。下標(biāo)j=1或或2，3，4，5，6，分別表示沿，分別表示沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向的單向應(yīng)力，和在垂直于軸方向的單向應(yīng)力，和在垂直于x軸、軸、y軸、軸、z

11、軸的平面（即軸的平面（即yz平面、平面、zx平面、平面、xy平面）內(nèi)作用的剪平面）內(nèi)作用的剪切力。切力。單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正，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)；剪切力的符號(hào)用右壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號(hào)用右螺旋定則確定，如圖中表示的方螺旋定則確定，如圖中表示的方向。此外，還需要對(duì)因逆壓電效向。此外，還需要對(duì)因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向也作應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向也作一規(guī)定，以確定一規(guī)定，以確定dij的符號(hào)，使得方的符號(hào)，使得方程組具有更普遍的意義。當(dāng)電場(chǎng)程組具有更普遍的意義。當(dāng)電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。之為負(fù)。天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想

12、外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可天然結(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表示，其中縱向軸用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z ZZ Z稱為稱為光軸光軸；經(jīng)過正；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的六面體棱線，并垂直于光軸的X XX X軸稱為軸稱為電軸電軸( (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）稱為稱為機(jī)械軸機(jī)械軸。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)生電荷的壓電效應(yīng)稱為用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)

13、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)稱為電荷的壓電效應(yīng)稱為“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)。2.2 2.2 壓電材料和它的主要特性壓電材料和它的主要特性 2.2.1 2.2.1 石英晶體石英晶體1 1石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)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在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度在晶體線性彈性范圍內(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； d

14、11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。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。2.2.2 2.2.2 壓電材料壓電材料壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體( (單晶體單晶體) )，壓電陶瓷，

15、壓電陶瓷( (多晶體多晶體) )。1.1.壓電晶體壓電晶體 （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，在由圖可見，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。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)。 d

16、t/d20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相相對(duì)對(duì)介介電電常常數(shù)數(shù)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 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

17、，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，酒石酸乙烯二銨烯二銨(C(C4 4H H4 4N N2 2O O6 6，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱EDT)EDT)，酒石酸二鉀，酒石酸二鉀(K(K2 2C C2 2H H4 4O O6 6H H2 2O O

18、，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱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，簡(jiǎn)稱KDP)KDP)，磷酸二氫氨，磷酸二氫氨(NH(NH4 4H H2 2POPO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ADP)ADP)，砷酸，砷酸二氫鉀二氫鉀(KH(KH2 2AsOAsO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱KDA)KDA)，砷酸二氫氨，砷酸二氫氨(NH(NH4 4H H2 2AsOAsO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ADA)ADA)。 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（BaTiOBaT

19、iO3 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），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

20、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。 (3) (3)壓電

21、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)稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來看，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

22、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電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料復(fù)合材料(PVF(PVF2 2PZT)PZT)。 當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)

23、器看成一個(gè)靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a a) )。也可把它視為兩極板上聚集。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的異性電荷，中間為絕緣體的電容器電容器，如圖，如圖(b)(b)。其電容量為。其電容量為 0raSSChh 當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為其大小為aQUC2.4 2.4 等效電路與測(cè)量電路等效電路與測(cè)量電路因此，壓電傳感器可等效為因此，壓電傳感器可等效為電壓源電壓源Ua和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ca的的串聯(lián)串聯(lián)電路，如圖電路，如圖( (a a) )；也可等；也可等效為一個(gè)電荷源效為一個(gè)電荷源Q

24、 Q和一個(gè)電容和一個(gè)電容器器Ca的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖( (b b) )。 書p92如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí)如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí), ,則應(yīng)考慮連線則應(yīng)考慮連線的等效電容的等效電容, ,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。前置放大器的輸入電阻、輸入電容。C Ci i 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容; ;C Cc c 連線電容連線電容; ;R Ra a傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻; ;R Ri i前置放大器輸入電阻前置放大器輸入電阻CaRaCcRiCiQ電壓源等效電路電壓源等效電路電荷源等效電路電荷源等效電路可見，壓電傳感器的絕緣電阻可見，壓電傳感器的絕

25、緣電阻R Ra a與前置放大器的輸入電阻與前置放大器的輸入電阻R Ri i相并聯(lián)。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)，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)，要求壓電要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保持在傳感器絕緣電阻應(yīng)保持在10101313以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到以上，才能使內(nèi)部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)高的輸入阻抗，否則傳感器時(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)電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差的信號(hào)電荷

26、將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 2.4.2 2.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：u把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；u放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。 前置放大器形式：前置放大器形式：u電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；正比；u電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。1 1、電壓前置放大器、電壓前置放

27、大器書p932 2、電荷前置放大器、電荷前置放大器電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為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，而且輸出電壓正比于低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此它也能起著阻抗變換的輸入電荷，因此它也能起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗可高達(dá)作用，其輸入阻抗可高達(dá)1010101010101212，而輸出阻抗可小于而輸出阻抗可小于100100。電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器，電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖所示。若放大器的開環(huán)增益其等效電路如圖所示。若放大器的開環(huán)增益A A足夠大，則放大器足夠大，則放

28、大器的輸入端的輸入端a a點(diǎn)的電位接近于點(diǎn)的電位接近于“地地”電位；并且由于放大器的輸入電位；并且由于放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，放大器的輸入阻抗很高。所以放大器級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，放大器的輸入阻抗很高。所以放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路，電荷輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路，電荷Q Q只對(duì)反只對(duì)反饋電容饋電容C Cf f充電，充電電壓接近于放大器的輸出電壓：充電，充電電壓接近于放大器的輸出電壓：式中，式中，U Uo o放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； 反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。fcCQuUf/0fCu壓電式傳感器與電荷放大器連接的基本電路及等效電

29、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。 (Piezoelectric accelerometer)2.52.5壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用2.5.12.5.1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。壓電加速度傳感器實(shí)物圖壓電加速度傳感器實(shí)物圖2.5.2 2.5.2 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