[工學(xué)]第7章壓電式傳感器ppt課件

1、第第7 7章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 7.l 7.l 壓電式傳感器的任壓電式傳感器的任務(wù)原理務(wù)原理 7.1.1 7.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 7.1.2 7.1.2 壓電效應(yīng)的物壓電效應(yīng)的物了解釋了解釋 7.2 7.2 壓電元件常用構(gòu)造壓電元件常用構(gòu)造方式方式 7.3 7.3 壓電元件的等效電壓電元件的等效電路及丈量電路路及丈量電路 7.3.1 7.3.1 等效電路等效電路 7.3.2 7.3.2 丈量電路丈量電路 7.4 7.4 壓電式加速度傳感壓電式加速度傳感器器 7.4.1 7.4.1 任務(wù)原理及特任務(wù)原理及特性性 7.4.2 7.4.2 壓電加速度傳壓電加速度傳感器的典型構(gòu)造感器的

2、典型構(gòu)造 7.4.3 7.4.3 壓電式加速度壓電式加速度傳感器的運(yùn)用傳感器的運(yùn)用 7.5 7.5 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 7.5.1 7.5.1 壓電式壓力傳壓電式壓力傳感器的原理及構(gòu)造感器的原理及構(gòu)造 7.5.2 7.5.2 壓電式壓力傳壓電式壓力傳感器的構(gòu)造及運(yùn)用感器的構(gòu)造及運(yùn)用壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制造壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制造的傳感器。的傳感器。壓電效應(yīng)是可逆的，即有兩種壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)是可逆的，即有兩種壓電效應(yīng)： 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng):當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施加力而使其變形時(shí)，在一定外表上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外加力而使

3、其變形時(shí)，在一定外表上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的形狀；力去掉后，又重新回到不帶電的形狀； 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng):當(dāng)在介質(zhì)的極化方向施加電場時(shí)，當(dāng)在介質(zhì)的極化方向施加電場時(shí)，這些電介質(zhì)就在一定的方向上產(chǎn)活力械變形或機(jī)械這些電介質(zhì)就在一定的方向上產(chǎn)活力械變形或機(jī)械應(yīng)力；當(dāng)外加電場撤去后，這些變形或應(yīng)力也隨之應(yīng)力；當(dāng)外加電場撤去后，這些變形或應(yīng)力也隨之消逝。消逝。 可見壓電式傳感器是一種典型的可見壓電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器雙向傳感器。7.17.1壓電式傳感器的任務(wù)原理壓電式傳感器的任務(wù)原理7.1.17.1.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng): :某

4、些電介質(zhì)某些電介質(zhì), , 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)變形時(shí), , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化景其內(nèi)部就產(chǎn)生極化景象內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位象內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移移, , 同時(shí)在它的兩個(gè)外表上同時(shí)在它的兩個(gè)外表上便產(chǎn)生符號相反的電荷便產(chǎn)生符號相反的電荷, , 當(dāng)外當(dāng)外力去掉后力去掉后, , 其又重新恢復(fù)到不其又重新恢復(fù)到不帶電形狀，帶電形狀， 這種景象稱壓電效這種景象稱壓電效應(yīng)。應(yīng)。 正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng) 壓電資料能實(shí)現(xiàn)機(jī)壓電資料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能電能量的相互轉(zhuǎn)換。量的相互轉(zhuǎn)換。1正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)電介質(zhì)在沿一定方向上遭到外

5、力電介質(zhì)在沿一定方向上遭到外力 產(chǎn)生變形產(chǎn)生變形 外力去掉，回到不帶電形狀外力去掉，回到不帶電形狀 內(nèi)部產(chǎn)生極化景象，外表產(chǎn)生電荷內(nèi)部產(chǎn)生極化景象，外表產(chǎn)生電荷 壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示2. 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)極化方向上施加交變電場極化方向上施加交變電場 產(chǎn)活力械變形產(chǎn)活力械變形 去外加電場，變形消逝去外加電場，變形消逝 逆壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示逆壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示 二、壓電資料二、壓電資料 1. 1.石英晶體石英晶體石英晶體是單晶體構(gòu)造。它是一個(gè)正石英晶體是單晶體構(gòu)造。它是一個(gè)正六面體，有右旋和左旋晶體之分，外形互六面體，有右旋和左旋晶體之分，外形互為鏡像對稱。為鏡像對稱。 石英晶體各個(gè)方

6、向的特性是石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。在直角坐標(biāo)系中，它有三個(gè)軸。不同的。在直角坐標(biāo)系中，它有三個(gè)軸。 電軸電軸X X軸、軸、1 1：垂直于此軸面上的壓電：垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)。效應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸機(jī)械軸Y Y軸、軸、2 2：在電場沿：在電場沿X X向作用下，向作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最大。沿該軸方向的機(jī)械變形最大。光軸光軸Z Z軸、軸、3 3：垂直于：垂直于XYXY。光線沿該軸。光線沿該軸經(jīng)過石英晶體時(shí)，無折射，在此方向加外經(jīng)過石英晶體時(shí)，無折射，在此方向加外力，無壓電效應(yīng)景象力，無壓電效應(yīng)景象 。通常把沿電軸通常把沿電軸x 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

7、效應(yīng)稱為的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng), , 而把而把沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y y 方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為效應(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 方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。從晶體上沿軸線切下的一片平行六面體稱為壓電晶體切片，如下圖。當(dāng)從晶體上沿軸線切下的一片平行六面體稱為壓電晶體切片，如下圖。當(dāng)晶片在沿晶片在沿X X軸的方向上遭到緊縮應(yīng)力軸的方向上遭到緊縮應(yīng)力sxxsxx的作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并的作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化景象。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度發(fā)生極化景象。在晶體的線

8、性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度PxxPxx與應(yīng)力與應(yīng)力sxx sxx 成正比，成正比，即即 而極化強(qiáng)度而極化強(qiáng)度PxxPxx等于晶片外表的電荷密度，等于晶片外表的電荷密度， 即即把把PxxPxx值代入得值代入得由式看出，當(dāng)晶片遭到由式看出，當(dāng)晶片遭到X X向的壓力作用時(shí)，向的壓力作用時(shí)，qxxqxx與作用力與作用力FxFx成正比，而與成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。晶片的幾何尺寸無關(guān)。 下標(biāo)下標(biāo)m m：產(chǎn)生電荷的面的軸向：產(chǎn)生電荷的面的軸向 下標(biāo)下標(biāo)n n：施加作用力的軸向：施加作用力的軸向 lbFddPxxxxx1111lbqPxxxxxxxFdq11石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖石英晶片

9、受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如下圖在在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；假設(shè)作用力軸正向帶正電；假設(shè)作用力Fx改為拉力時(shí)，那么電荷仍出如今在垂直于改為拉力時(shí)，那么電荷仍出如今在垂直于X軸的平面上，但極性相反，如軸的平面上，但極性相反，如圖圖a、b。假設(shè)在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷。假設(shè)在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與仍在與 X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖c、d，此時(shí)電荷的大小，此時(shí)電荷的大小為為 X Fy Fy Fx Fx X X X （a） （b） （d） （c）yxyFbhlbdq1

10、21112dd根據(jù)石英晶體軸的對稱條件根據(jù)石英晶體軸的對稱條件負(fù)號表示沿負(fù)號表示沿Y軸的緊縮力產(chǎn)生的電荷與沿軸的緊縮力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加的緊縮軸施加的緊縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。由式可見，沿機(jī)械軸方向?qū)λa(chǎn)生的電荷極性相反。由式可見，沿機(jī)械軸方向?qū)┘幼饔昧r(shí)，產(chǎn)生的電荷量是與晶片的幾何尺寸有關(guān)的。施加作用力時(shí)，產(chǎn)生的電荷量是與晶片的幾何尺寸有關(guān)的。1112ddyxyFhldq11石英晶體外形圖石英晶體外形圖壓電晶體是一種單晶體壓電晶體是一種單晶體例如：例如：石英晶體；石英晶體；酒石酸鉀鈉酒石酸鉀鈉等等 天然構(gòu)成的石英晶體外形圖天然構(gòu)成的石英晶體外形圖2 2、壓電陶瓷、壓電陶瓷未

11、加電場未加電場 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電資料。在無外電場作用時(shí)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電資料。在無外電場作用時(shí), , 電疇電疇在晶體中雜亂分布在晶體中雜亂分布, , 它們的極化效應(yīng)被相互抵消它們的極化效應(yīng)被相互抵消, , 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性為零。因此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)。加電場加電場電疇方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)電疇方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), , 趨向于按外電場方向的陳列趨向于按外電場方向的陳列, , 從而使資料得從而使資料得到極化。外電場愈強(qiáng)到極化。外電場愈強(qiáng), , 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓就有更多的電疇更

12、完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(qiáng)度大到使資料的極化到達(dá)飽和的程度外電場強(qiáng)度大到使資料的極化到達(dá)飽和的程度, , 即一切電疇極化方向即一切電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí)都整齊地與外電場方向一致時(shí), , 外電場去掉后外電場去掉后, , 電疇的極化方向根本電疇的極化方向根本不變不變, , 這時(shí)的資料具有壓電特性。這時(shí)的資料具有壓電特性。 壓電陶瓷在極化面上遭到垂直于它的均勻分布的作用力時(shí)亦即作壓電陶瓷在極化面上遭到垂直于它的均勻分布的作用力時(shí)亦即作用力沿極化方向，那么在這兩個(gè)鍍銀極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。用力沿極化方向，那么在這兩個(gè)鍍銀極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。其電荷量其電荷量q q與力

13、與力F F成正比，比例系數(shù)為成正比，比例系數(shù)為 d33 d33，亦即，亦即式中式中 d33 d33壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義與石英晶體一樣，但在壓電陶瓷中，通常把它的極化方下標(biāo)的意義與石英晶體一樣，但在壓電陶瓷中，通常把它的極化方向定為向定為Z Z軸下標(biāo)軸下標(biāo)3 3，這是它的對稱軸，在垂直于，這是它的對稱軸，在垂直于Z Z軸的平面上，恣意軸的平面上，恣意選擇的正交軸為選擇的正交軸為X X軸和軸和Y Y軸，下標(biāo)為軸，下標(biāo)為l l和和2 2，所以下標(biāo)，所以下標(biāo) l l和和2 2是可以互易的。是可以互易的。Fdq33 極 化 面 F F F F (a ) (b ) 7

14、.1.27.1.2壓電效應(yīng)的物了解釋壓電效應(yīng)的物了解釋石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的構(gòu)造有石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的構(gòu)造有關(guān)。其化學(xué)式為關(guān)。其化學(xué)式為 SiO2 SiO2。在一個(gè)晶體單元中有三。在一個(gè)晶體單元中有三個(gè)硅離子個(gè)硅離子 Si4+ Si4+和六個(gè)氧離子和六個(gè)氧離子 O2- O2-，后者是成對，后者是成對的。所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替陳列。的。所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替陳列。 電偶極矩：電荷電偶極矩：電荷q q與間距與間距l(xiāng) l的乘積。的乘積。P=qlP=ql 矢量，方向由負(fù)電荷指向正電荷。矢量，方向由負(fù)電荷指向正電荷。1 1未受外力作用時(shí)未受外力作用時(shí), , 正、負(fù)離

15、子正好分布在正六邊形的頂角上正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, , 構(gòu)成構(gòu)成三個(gè)互成三個(gè)互成120120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1P1、 P2 P2、P3P3。 如圖如圖 a a所示。所示。 P1+ P2+P3=0P1+ P2+P3=0。正負(fù)電荷中心重合，呈中性。正負(fù)電荷中心重合，呈中性。2 2受受x x軸方向的壓力作用時(shí)軸方向的壓力作用時(shí), , 晶體沿晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生緊縮變形方向?qū)a(chǎn)生緊縮變形, , 正負(fù)離子的正負(fù)離子的相對位置也隨之變動(dòng)。如圖相對位置也隨之變動(dòng)。如圖 b b所示所示, , 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合, , 電電偶極矩在偶極矩在x x方向

16、上的分量由于方向上的分量由于P1P1的減小和的減小和P2P2、P3P3的添加而不等于零的添加而不等于零, , 即即P1+P2+P3P1+P2+P3 0 0 。 在在x x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷, , 電偶極矩在電偶極矩在y y方向上的方向上的分量仍為零分量仍為零, , 不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。 P=ql x P=ql x方向方向l l減小減小3 3遭到沿遭到沿y y軸方向的壓力作用時(shí)軸方向的壓力作用時(shí), , 晶體的變形如圖晶體的變形如圖c c所示，所示， P1 P1增增大大, P2, P2、P3 P3 減小。減小。 在垂直于在垂直于x x軸正方向出現(xiàn)正電荷軸正方向出現(xiàn)正電荷,

17、 , 在在y y軸方向上不出軸方向上不出現(xiàn)電荷?，F(xiàn)電荷。 P=ql y P=ql y方向方向l l減小減小 4 假設(shè)沿假設(shè)沿Z軸方向即與紙面垂直的方向上施加作用力，軸方向即與紙面垂直的方向上施加作用力， 由于晶體在由于晶體在X軸方向和軸方向和Y軸方向的變形完全一樣，所以，正負(fù)電荷軸方向的變形完全一樣，所以，正負(fù)電荷中心堅(jiān)持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就闡明沿中心堅(jiān)持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就闡明沿Z軸即光軸軸即光軸方向加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)對石英晶體的各個(gè)方向方向加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)對石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的作用力時(shí)如液體的壓力，熱應(yīng)力等同時(shí)施加相

18、等的作用力時(shí)如液體的壓力，熱應(yīng)力等,石英晶體也石英晶體也就堅(jiān)持中性不變，所以石英晶體沒有由于體積變形的壓電效應(yīng)。就堅(jiān)持中性不變，所以石英晶體沒有由于體積變形的壓電效應(yīng)。7.27.2壓電元件的常用構(gòu)造方式壓電元件的常用構(gòu)造方式1 1、并聯(lián)方式、并聯(lián)方式特點(diǎn)：輸出電荷大，適宜測特點(diǎn)：輸出電荷大，適宜測慢速信號，以電荷為輸出的場所。慢速信號，以電荷為輸出的場所。nqqUUnCC2 2、串聯(lián)方式、串聯(lián)方式特點(diǎn)：輸出電壓大，適宜以電壓為輸出，高輸入阻抗的場所特點(diǎn)：輸出電壓大，適宜以電壓為輸出，高輸入阻抗的場所qqnUUnCC7.37.3壓電元件的等效電路與丈量電壓電元件的等效電路與丈量電路路7.3.17

19、.3.1等效電路等效電路1 1、壓電傳感器中的壓電晶、壓電傳感器中的壓電晶體接受被測機(jī)械力的作用時(shí)，在體接受被測機(jī)械力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極板面上出現(xiàn)極性相反它的兩個(gè)極板面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。顯然可以把但電量相等的電荷。顯然可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，如下圖，如下圖， 2 2、顯然也可以把它視為、顯然也可以把它視為一個(gè)極板上聚集正電荷，一個(gè)極一個(gè)極板上聚集正電荷，一個(gè)極板上聚集負(fù)電荷，中間為絕緣體板上聚集負(fù)電荷，中間為絕緣體的電容，其電容量為的電容，其電容量為當(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)，那么兩極板就呈現(xiàn)出一定的電壓，那么兩極

20、板就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為其大小為hAhAC0raaaCqU 壓電晶體 電極 q q CaCaCa U QU=Q/CaQ=UCa（a）（b）壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式，它可以表示為單壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式，它可以表示為單位力的電壓或單位力的電荷。前者稱為電壓靈敏度位力的電壓或單位力的電荷。前者稱為電壓靈敏度KuKu，后者，后者稱為電荷靈敏度稱為電荷靈敏度KqKq，它們之間可以經(jīng)過壓電元件或傳感器，它們之間可以經(jīng)過壓電元件或傳感器的電容的電容CaCa聯(lián)絡(luò)起來，即聯(lián)絡(luò)起來，即aquCKKauqCKK 7.3.27.3.2丈量電路丈量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出壓電傳感

21、器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號微弱，因此普通不能直接顯示和的信號微弱，因此普通不能直接顯示和記錄。記錄。 丈量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接丈量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用：于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號一是放大傳感器輸出的微弱信號 二是把它的高輸入阻抗變換為低輸二是把它的高輸入阻抗變換為低輸出阻抗出阻抗根據(jù)壓電元件的任務(wù)原理，前置放根據(jù)壓電元件的任務(wù)原理，前置放大器有兩種方式：一種是電壓放大器，大器有兩種方式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓壓電元件的輸其輸出電壓與輸入電壓壓電元件的輸出電壓成正比，另一種是電荷放大器，出電壓成正比，另一

22、種是電荷放大器，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.電壓放大器電壓放大器 電壓放大器的等效電路如下圖，其中等效電阻電壓放大器的等效電路如下圖，其中等效電阻R R為為 等效電容等效電容 C C分別為分別為 假設(shè)壓電元件遭到交變力的作用，假設(shè)壓電元件遭到交變力的作用，f f 為為 式中式中 Fm Fm作用力的幅值。作用力的幅值。iaiaRRRRRicCCCaaCqu tFfsinm q Ca Ra Cc R i C i A Ca C R A Ua(a)(b) 假設(shè)壓電元件所用壓電資料為壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為假設(shè)壓電元件所用壓電資料為壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33d33

23、，那么在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓均按正弦規(guī)律變化，即那么在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓均按正弦規(guī)律變化，即 或或 式中式中 Um Um電壓幅值，電壓幅值， 假設(shè)將放大器輸入端的電壓假設(shè)將放大器輸入端的電壓uiui寫成復(fù)數(shù)方式，那么可得寫成復(fù)數(shù)方式，那么可得tCFdusinam33atUuasinmam33mCFdU)(j1jcai33iCCCRRfdU 的幅值 為 由上式可得輸入電壓與作用力之間的相位f為 令 為丈量回路時(shí)間常數(shù)，令 ，那么式 假設(shè)作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力，即w0，那么前置放大器的輸出Uim為零。由于電荷就會(huì)經(jīng)過電荷放大器的輸入電阻和傳感器本身的走漏電阻漏掉。這也就

24、是從原理上決議了壓電式傳感器不能丈量靜態(tài)物理量。 iUimU2ica22m33im)(1CCCRRFdURCCC)(arctg2icaRCCC)(ica1020m33im1RFdU0arctg2 當(dāng)當(dāng)ww時(shí)高頻，那么放大器輸入端的電壓幅值為時(shí)高頻，那么放大器輸入端的電壓幅值為 在實(shí)踐運(yùn)用中以為在實(shí)踐運(yùn)用中以為 w/w 0 w/w 0 1 1即即ww1 1 ，也就是，也就是作用力的變化頻率與丈量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于作用力的變化頻率與丈量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1 1時(shí)，前置放大時(shí)，前置放大器的輸入電壓器的輸入電壓UimUim與頻率無關(guān)。普通以為與頻率無關(guān)。普通以為w/w 03w/w 03，可

25、以近似地看作，可以近似地看作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這闡明在丈量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這闡明在丈量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器的高頻率呼應(yīng)是很好的，這是壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)之下，壓電式傳感器的高頻率呼應(yīng)是很好的，這是壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一。一。icam33imCCCFdU 2. 2.電荷放大器電荷放大器 fcfscCquU q Ca Cc gc Ci gf A Rf CfUscUsc AUa Ca Cc gc Ci gf Ui(a)(b) 為了便于分析，用圖為了便于分析，用圖b b的電壓源代的電壓源代a a的電荷源，由此可得的電荷源，由此可得用節(jié)點(diǎn)電壓法用節(jié)點(diǎn)電

26、壓法而而 ，代入可得，代入可得)j)()(j)(j )(ffsciiciciaiaCgUUCCggUCUUAUUsci)(j)1)(j(jciaciffaascCCCggACgAUCU 理想條件下，任務(wù)頻率足夠高，各導(dǎo)納大于各電導(dǎo)時(shí)，即gi 0、gc0、gf0， ciafsc)1 (CCCACAqU 且放大器的增益且放大器的增益A A足夠大時(shí)，足夠大時(shí)，1+A1+ACf Cf Ca+Ci+CcCa+Ci+Cc ， 上式闡明，輸出電壓上式闡明，輸出電壓UscUsc正比于輸入電荷正比于輸入電荷q q，它的比例系數(shù)為，它的比例系數(shù)為1/Cf1/Cf，與任務(wù)頻率無關(guān)。這就是電荷放大器的理想情況。，與任

27、務(wù)頻率無關(guān)。這就是電荷放大器的理想情況。 壓電元件本身的電容大小和電纜長短不影響或極少影響電荷放壓電元件本身的電容大小和電纜長短不影響或極少影響電荷放大器的輸出，這是電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)。輸出電壓只取決于輸入電荷大器的輸出，這是電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)。輸出電壓只取決于輸入電荷 q q以以及反響電路的參數(shù)及反響電路的參數(shù)CfCf及及RfRf。普通反響電容。普通反響電容CfCf可選擇的范圍為可選擇的范圍為100100104pF104pF。ffsc)1(CqCAAqU 當(dāng)任務(wù)頻率很低時(shí)當(dāng)任務(wù)頻率很低時(shí),gf,gf與與jwCfjwCf值相當(dāng)，值相當(dāng)，gfgf1+A1+A不能忽略；不能忽略；A A仍仍足夠大，那么

28、式變?yōu)樽銐虼螅敲词阶優(yōu)?其幅值為其幅值為 該式闡明，任務(wù)頻率很低時(shí)，輸出電壓該式闡明，任務(wù)頻率很低時(shí)，輸出電壓UscmUscm不僅與外表電荷不僅與外表電荷q q有關(guān)，有關(guān)，而且與參數(shù)而且與參數(shù)CfCf、gfgf和和w w 有關(guān)，但與開環(huán)增益有關(guān)，但與開環(huán)增益A A無關(guān)。信號頻率越小，無關(guān)。信號頻率越小，CfCf項(xiàng)項(xiàng)越重要，當(dāng)越重要，當(dāng)ffffscjj)1)(j(jCgqACgqAUffgCfscm2CqU2f2fscm2CgqU 這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降3dB3dB時(shí)對應(yīng)的下限截止頻率為時(shí)對應(yīng)的下限截止頻率為 由上式可見，低頻時(shí)電荷放大器的頻率呼應(yīng)

29、僅決議于反響電路參數(shù)由上式可見，低頻時(shí)電荷放大器的頻率呼應(yīng)僅決議于反響電路參數(shù)RfRf和和CfCf，反響電阻，反響電阻RfRf還有直流反響功能。由于在電荷放大器中采用電容負(fù)反還有直流反響功能。由于在電荷放大器中采用電容負(fù)反響，對直流任務(wù)點(diǎn)相當(dāng)于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。為了減小零漂，使響，對直流任務(wù)點(diǎn)相當(dāng)于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。為了減小零漂，使放大器任務(wù)穩(wěn)定，應(yīng)并聯(lián)電阻放大器任務(wù)穩(wěn)定，應(yīng)并聯(lián)電阻RfRf。 ffffL2121RCgCf7.4 7.4 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 7.4.1 7.4.1 任務(wù)原理及特性任務(wù)原理及特性 1 . 1 .任務(wù)原理任務(wù)原理 丈量時(shí)，將傳感

30、器基座丈量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一同，使傳感器與試件剛性固定在一同，使傳感器的質(zhì)量塊與試件有一樣的運(yùn)動(dòng)并遭的質(zhì)量塊與試件有一樣的運(yùn)動(dòng)并遭到與加速度方向一樣的慣性力的作到與加速度方向一樣的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于用。這樣，質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的交變力作用在壓電元件上。加速度的交變力作用在壓電元件上。壓電元件兩個(gè)外表上產(chǎn)生交變電荷壓電元件兩個(gè)外表上產(chǎn)生交變電荷或電壓。當(dāng)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)或電壓。當(dāng)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器輸出電荷或電壓正比于作用力。輸出電荷或電壓正比于作用力。即即q = dijFq = dijF，由于

31、，由于 殼 體 彈 簧 質(zhì) 量 塊 壓 電 片 輸 出 端 x y m c k 基 座 （ b ） （ a ） maF madq11 2、靈敏系數(shù) 由于傳感器輸出電荷量與試件的加速度成正比，所以壓電式加速度傳感器的電荷靈敏系數(shù)KQ與電壓靈敏系數(shù)KU分別為mdaFdaqK1111Qa11aQUCmdCKK 傳感器的電荷靈系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)可以分別用目前慣用的單位pC/g和mV/g表示 如下圖的壓電式加速度傳感器，可以簡化成由集中質(zhì)量如下圖的壓電式加速度傳感器，可以簡化成由集中質(zhì)量m m、集中彈簧剛度集中彈簧剛度k k、和集中阻尼、和集中阻尼c c的一個(gè)單自在度二階力學(xué)系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)的一個(gè)單自在度二

32、階力學(xué)系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)模型為模型為 殼 體 彈 簧 質(zhì) 量 塊 壓 電 片輸 出 端 x y m c K 基 座 （ b） （ a） 式中式中m m 壓電元件質(zhì)量；壓電元件質(zhì)量； c c 等效阻尼系數(shù)；等效阻尼系數(shù)； k k 等效剛度系數(shù)；等效剛度系數(shù)； x x 質(zhì)量塊相對于基座位移的振幅；質(zhì)量塊相對于基座位移的振幅； a a 慣性力引起的加速度振幅即振動(dòng)體加速慣性力引起的加速度振幅即振動(dòng)體加速度的振幅。負(fù)號表示慣性力與加速度方向相反。度的振幅。負(fù)號表示慣性力與加速度方向相反。makxtxctxmdddd22 二階質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式二階質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式:

33、: 振動(dòng)加速度引起質(zhì)量塊位移的幅值為振動(dòng)加速度引起質(zhì)量塊位移的幅值為 質(zhì)量塊的位移滯后于加速度的相位角為質(zhì)量塊的位移滯后于加速度的相位角為20220202111ax200/1/2arctg 由于相對位移由于相對位移x x就是壓電元件的變形量，在彈性范圍內(nèi)，假設(shè)就是壓電元件的變形量，在彈性范圍內(nèi)，假設(shè)作用在壓電元件上的慣性力為作用在壓電元件上的慣性力為F F，壓電元件本身的剛度系數(shù)為，壓電元件本身的剛度系數(shù)為KYKY，那，那么有么有F = KYxF = KYx。因此而產(chǎn)生力。因此而產(chǎn)生力電轉(zhuǎn)換，壓電元件外表產(chǎn)生的電荷電轉(zhuǎn)換，壓電元件外表產(chǎn)生的電荷 于是有于是有 式子表示式子表示KQKQ與與w/w

34、0w/w0頻率比的關(guān)系稱為加速度傳感器頻率比的關(guān)系稱為加速度傳感器的頻率呼應(yīng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。的頻率呼應(yīng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 xKdFdqijijYY1Kdaqaxij2022020Y/2/1/Kdaqij其頻率呼應(yīng)特性曲線如下圖其頻率呼應(yīng)特性曲線如下圖=10521 0.4 0.7070.50.3 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1.0 1.5 2 3相對靈敏度 ijYdKaq20 0.9 0.8 0.5 0.1 0.3 0.2 0.6 0.7 0.4 1.0 1.5 2.0 當(dāng)當(dāng)/0/0相當(dāng)小時(shí)，式可寫成如下方式相當(dāng)小時(shí)，式可寫成如下方式 20YijdKaq 可見，當(dāng)傳

35、感器的固有頻率遠(yuǎn)大于振動(dòng)體的任務(wù)頻率時(shí)，傳感器的電荷靈敏系數(shù)近似為一常數(shù)，根本不隨任務(wù)頻率變化，此為傳感器的理想任務(wù)頻率。由于壓電式傳感器具有很高的固有頻率，只需放大器高頻截止頻率遠(yuǎn)大于傳感器的固有頻率，其高頻上限由傳感器的固有頻率決議。所以壓電式傳感器的高頻呼應(yīng)特性特別好，頻響范圍寬。其低頻呼應(yīng)取決于輸出回路的時(shí)間常數(shù)見電壓放大器，時(shí)間常數(shù)越大，低頻呼應(yīng)性能越好。尤其是配用電荷放大器，時(shí)間常數(shù)t 長達(dá)105s，可用來測準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)量。 M (1) M M M (2) (3) (4) (6) (5) 7.4.3 7.4.3 壓電式加速度傳感器的運(yùn)用壓電式加速度傳感器的運(yùn)用 壓電式加速度傳感器具有

36、構(gòu)造簡單、壓電式加速度傳感器具有構(gòu)造簡單、體積小、質(zhì)量輕、丈量的頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)體積小、質(zhì)量輕、丈量的頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等優(yōu)點(diǎn)。它范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等優(yōu)點(diǎn)。它是丈量振動(dòng)和沖擊的一種理想傳感器。是丈量振動(dòng)和沖擊的一種理想傳感器。 1 1用于小試件測試用于小試件測試 例如，在丈量飛機(jī)構(gòu)件特別例如，在丈量飛機(jī)構(gòu)件特別是薄板型小構(gòu)件的振動(dòng)時(shí)，為了不使構(gòu)件是薄板型小構(gòu)件的振動(dòng)時(shí)，為了不使構(gòu)件的振動(dòng)失真，傳感器的質(zhì)量應(yīng)盡能夠地輕。的振動(dòng)失真，傳感器的質(zhì)量應(yīng)盡能夠地輕。早期采用的電動(dòng)式加速度傳感器，因其本身早期采用的電動(dòng)式加速度傳感器，因其本身較重，給丈量帶來較大的誤差。

37、如今那么采較重，給丈量帶來較大的誤差。如今那么采用壓電式加速度傳感器，能較為準(zhǔn)確地丈量用壓電式加速度傳感器，能較為準(zhǔn)確地丈量出構(gòu)件的振動(dòng)。出構(gòu)件的振動(dòng)。 2 2中高溫環(huán)境下的振動(dòng)測試中高溫環(huán)境下的振動(dòng)測試 隨著耐高溫的壓電資料的研制勝利，如今已研制出隨著耐高溫的壓電資料的研制勝利，如今已研制出在在400400，甚至高達(dá)，甚至高達(dá)700700的中高溫環(huán)境下運(yùn)用的壓電式傳感的中高溫環(huán)境下運(yùn)用的壓電式傳感器。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的振動(dòng)普通發(fā)生在渦輪軸附近，這里器。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的振動(dòng)普通發(fā)生在渦輪軸附近，這里的溫度高達(dá)的溫度高達(dá)650650以上，且留給傳感器安裝的空間又很小。采以上，且留給傳感器安裝的

38、空間又很小。采用壓電式加速度傳感器丈量，它不僅耐高溫、而且體積小，用壓電式加速度傳感器丈量，它不僅耐高溫、而且體積小，能安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承機(jī)匣上，能相當(dāng)準(zhǔn)確的丈量出發(fā)動(dòng)能安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承機(jī)匣上，能相當(dāng)準(zhǔn)確的丈量出發(fā)動(dòng)機(jī)的最大振動(dòng)。如今許多機(jī)種的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測系統(tǒng)中都采機(jī)的最大振動(dòng)。如今許多機(jī)種的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測系統(tǒng)中都采用了壓電式加速度傳感器。用了壓電式加速度傳感器。 3 3沖擊和振動(dòng)測試沖擊和振動(dòng)測試 沖擊和振動(dòng)是自然界和消費(fèi)過程中普遍存在的景象，沖擊和振動(dòng)是自然界和消費(fèi)過程中普遍存在的景象，幾乎每一種機(jī)械設(shè)備和建筑都存在振動(dòng)問題。由于振動(dòng)景象幾乎每一種機(jī)械設(shè)備和建筑都存在振動(dòng)問題。由于

39、振動(dòng)景象和構(gòu)成機(jī)理復(fù)雜，所以在察看、分析、研討機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)和構(gòu)成機(jī)理復(fù)雜，所以在察看、分析、研討機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的緣由及規(guī)律時(shí)，除實(shí)際分析外，直接丈量一直是一生振動(dòng)的緣由及規(guī)律時(shí)，除實(shí)際分析外，直接丈量一直是一個(gè)重要的必不可少的手段。例如，機(jī)床任務(wù)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，不個(gè)重要的必不可少的手段。例如，機(jī)床任務(wù)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，不僅會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度和被加工零件的質(zhì)量，而且還要降僅會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度和被加工零件的質(zhì)量，而且還要降低消費(fèi)效率和刀具的耐用度，振動(dòng)猛烈時(shí)還會(huì)降低機(jī)床的運(yùn)低消費(fèi)效率和刀具的耐用度，振動(dòng)猛烈時(shí)還會(huì)降低機(jī)床的運(yùn)用性能。經(jīng)過動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采用壓電式加速度傳感器進(jìn)展檢測，用性能。經(jīng)過動(dòng)態(tài)實(shí)

40、驗(yàn)，采用壓電式加速度傳感器進(jìn)展檢測，模態(tài)分析，可充分了解各種機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，找出機(jī)床產(chǎn)生模態(tài)分析，可充分了解各種機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，找出機(jī)床產(chǎn)生受迫振動(dòng)，爬行以及自激振動(dòng)顫振的緣由，從中尋覓出受迫振動(dòng)，爬行以及自激振動(dòng)顫振的緣由，從中尋覓出防止和消除機(jī)床振動(dòng)的方法和提高機(jī)床抗振性能的途徑。還防止和消除機(jī)床振動(dòng)的方法和提高機(jī)床抗振性能的途徑。還有如車輛道路模擬實(shí)驗(yàn)，火車環(huán)境振動(dòng)丈量分析，人體的動(dòng)有如車輛道路模擬實(shí)驗(yàn)，火車環(huán)境振動(dòng)丈量分析，人體的動(dòng)態(tài)特性研討等很多方面，壓電式加速度傳感器都有著廣泛的態(tài)特性研討等很多方面，壓電式加速度傳感器都有著廣泛的運(yùn)用。運(yùn)用。7.5 7.5 壓電式壓力傳感器壓電式壓

41、力傳感器7.5.1 7.5.1 壓電式壓力傳感器的原理壓電式壓力傳感器的原理1 1、任務(wù)原理、任務(wù)原理 當(dāng)壓力當(dāng)壓力p p作用在膜片上時(shí)，作用在膜片上時(shí)，將在壓電元件上下外表上產(chǎn)生電荷，將在壓電元件上下外表上產(chǎn)生電荷，電荷量與作用力成正比電荷量與作用力成正比q = Fdijq = Fdij。 由上式可知，輸出由上式可知，輸出 電荷量與輸入壓力成正比電荷量與輸入壓力成正比 關(guān)系，普通壓電式壓力傳關(guān)系，普通壓電式壓力傳 感器的線性較好感器的線性較好 pSFijpSdq 引線插針絕緣體殼體壓電元件 膜片絕緣體 p 2 2、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù) 壓電式壓力傳感器的靈敏系數(shù)是壓電式壓力傳感器的靈敏系數(shù)是指

42、其輸出電荷量電荷或電壓與輸入量指其輸出電荷量電荷或電壓與輸入量壓力的比值，也可以分別用電荷靈敏壓力的比值，也可以分別用電荷靈敏系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)來表示。系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)來表示。 電荷靈敏系數(shù)電荷靈敏系數(shù) 電壓靈敏系數(shù)電壓靈敏系數(shù)pqKqpUKUa 由式由式 知，電荷靈敏系數(shù)也可表示為知，電荷靈敏系數(shù)也可表示為 由于由于Ua=q/CaUa=q/Ca，所以電壓靈敏系數(shù)也可下式表示，所以電壓靈敏系數(shù)也可下式表示 由以上分析可知，為了提高壓電式壓力傳感器的靈敏度，由以上分析可知，為了提高壓電式壓力傳感器的靈敏度，應(yīng)選用壓電系數(shù)大的壓電資料做壓電元件。此外也可以加大壓電應(yīng)選用壓電系數(shù)大的壓電資料做壓電

43、元件。此外也可以加大壓電元件的受力面積，添加電荷量的方法來提高靈敏度。但是，增大元件的受力面積，添加電荷量的方法來提高靈敏度。但是，增大受力面積不利于傳感器的小型化。因此，普通采用多片壓電元件受力面積不利于傳感器的小型化。因此，普通采用多片壓電元件疊加在一同，按電容的串聯(lián)和并聯(lián)銜接方式來提高傳感器的靈敏疊加在一同，按電容的串聯(lián)和并聯(lián)銜接方式來提高傳感器的靈敏度。度。ijpSdq SdKijqaCSdkijU 7.5.2 7.5.2 壓電式壓力傳感器的構(gòu)造及運(yùn)用壓電式壓力傳感器的構(gòu)造及運(yùn)用 壓電式壓力傳感器可測任務(wù)頻率壓電式壓力傳感器可測任務(wù)頻率1010105Hz105Hz的動(dòng)態(tài)壓力，幅值可達(dá)的動(dòng)態(tài)壓力，幅值可達(dá)104104109Pa109Pa。 1 1、壓電式壓力傳感器的構(gòu)造