最新常用傳感器工作原理(壓電式)精品ppt課件復(fù)習(xí)進(jìn)程

1、常用傳感器工作原理(壓電式)2基于某些材料的壓電效應(yīng)，通過材料受力作用變形時(shí)，其表面基于某些材料的壓電效應(yīng)，通過材料受力作用變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)非電量測量會(huì)有電荷產(chǎn)生而實(shí)現(xiàn)非電量測量-(有源傳感器有源傳感器)傳感元件具有傳感元件具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)被測信息被測信息敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路輸出信息輸出信息壓電元件壓電元件壓電元件壓電元件壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，所以它能，所以它能測量最終能變換為力的物理量，如：力、測量最終能變換為力的物理量，如：力、壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等。壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等。壓電傳感器具有壓

2、電傳感器具有響應(yīng)響應(yīng)頻帶寬頻帶寬、靈敏度高靈敏度高、信噪比大信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單、工作可工作可靠靠、質(zhì)量輕質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛使壓電傳感器在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。6如圖，如圖，A、B兩個(gè)平面是在垂直兩個(gè)平面是在垂直X軸方向兩個(gè)平面上用真空鍍膜法或沉銀法軸方向兩個(gè)平面上用真空鍍膜法或沉銀法得到的電鍍面。得到的電鍍面。+-YX+AB+-YX+ABFxFx+-YX

3、+ABFxFx7+ + + + + + + + + + + +(c)(d)FXFX(a)(b)XXFYFYXX+-YX+AB8假設(shè)從石英晶體上沿假設(shè)從石英晶體上沿Y軸切下一片晶體切片，如下圖，使它的晶面分別平軸切下一片晶體切片，如下圖，使它的晶面分別平行于行于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軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。電極面。當(dāng)晶片受到當(dāng)晶片受到沿沿X軸方向的應(yīng)力軸方向的應(yīng)力Fx作用時(shí)，晶片作用時(shí)，晶片將在垂直將在垂直X X軸方向的兩個(gè)電極面積聚電荷，其軸方向的兩個(gè)電極面積聚電荷，其大小為：大小為：ZYXha石英晶體切片b11xxqd

4、 F由此可知，由此可知，縱向壓電效應(yīng)與面積縱向壓電效應(yīng)與面積A1大小無大小無關(guān)，即與晶體的幾何尺寸無關(guān)。關(guān)，即與晶體的幾何尺寸無關(guān)。x軸方向受力的壓電系數(shù)軸方向受力的壓電系數(shù)11d9若沿若沿Y軸方向施加壓力軸方向施加壓力Fy時(shí)時(shí), 則在則在A面上出面上出現(xiàn)正電荷，在現(xiàn)正電荷，在B面上出現(xiàn)等量的負(fù)電荷，面上出現(xiàn)等量的負(fù)電荷，即仍在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其即仍在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其大小為：大小為：12yYaqdFb此時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)，所以此時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)，所以橫橫向壓電效應(yīng)與晶體的幾何尺寸有關(guān)。向壓電效應(yīng)與晶體的幾何尺寸有關(guān)。沿沿z軸方向施加力時(shí)，由于

5、硅、氧離子是軸方向施加力時(shí)，由于硅、氧離子是對稱平移，故在表面沒有電荷呈現(xiàn)，沒有對稱平移，故在表面沒有電荷呈現(xiàn)，沒有壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。+-YX+ABZYXha石英晶體切片b,xyqq的方向由所受力是壓力還是拉力決定。的方向由所受力是壓力還是拉力決定。10壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體，它的壓電機(jī)理與石英的壓電機(jī)理不同，它壓電陶瓷是人工制造的多晶體，它的壓電機(jī)理與石英的壓電機(jī)理不同，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，這具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，這些區(qū)域會(huì)自發(fā)極化，從而存在一定的電場。些區(qū)域會(huì)自發(fā)極

6、化，從而存在一定的電場。在無外電場作用下，如圖（在無外電場作用下，如圖（a） ，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極，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0。直流電場E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 在外電場的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場的方向排列，在外電場的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場的方向排列，從而使材料極化。如圖（從而使材料極化。如圖（b）。）。極化后，當(dāng)外電場去掉后，陶瓷內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，如圖（

7、極化后，當(dāng)外電場去掉后，陶瓷內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，如圖（c）11通過上面的分析，在陶瓷片極化的兩端出現(xiàn)通過上面的分析，在陶瓷片極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷束縛電荷，一端為正，一端為，一端為正，一端為負(fù)。如下圖。負(fù)。如下圖。由于由于束縛電荷束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上很快吸附了一層來自外界的的作用，在陶瓷片的電極面上很快吸附了一層來自外界的自由電荷自由電荷。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)值相等，。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)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外的作用。它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外的作用。因此，陶瓷片對外不表現(xiàn)出極性。因此，陶瓷

8、片對外不表現(xiàn)出極性。 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖12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，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)現(xiàn)放電荷放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀( (這是一個(gè)膨脹過程這是一個(gè)膨脹過程) )

9、，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電充電現(xiàn)象?，F(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)。 極化方向正壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F壓電陶瓷的壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)中，中，充放電多少，充放電多少，與外力的大小成正比與外力的大小成正比，即：，即：FdQ壓電系數(shù)注意，剛剛極化后的壓電陶瓷的特性是不穩(wěn)注意，剛剛極化后

10、的壓電陶瓷的特性是不穩(wěn)定的，經(jīng)過兩三個(gè)月以后，壓電常數(shù)才近似定的，經(jīng)過兩三個(gè)月以后，壓電常數(shù)才近似保持為一定常數(shù)，經(jīng)過兩年后，壓電常數(shù)又保持為一定常數(shù)，經(jīng)過兩年后，壓電常數(shù)又會(huì)下降，因此做成的傳感器要經(jīng)常校準(zhǔn)。會(huì)下降，因此做成的傳感器要經(jīng)常校準(zhǔn)。13同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向，如圖，由于電場的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場的作用使極化強(qiáng)度增大電場的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)。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，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變的正負(fù)束縛電荷之間距

11、離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生化方向產(chǎn)生縮短形變縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)?。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是機(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 極化方向電場方向逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）14陶瓷內(nèi)的陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷極化電荷是束縛電荷，而，而不是自由電荷不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以動(dòng)。所以

12、在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度。如果外。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效

13、應(yīng)。電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英的大得多，價(jià)格低廉，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英的大得多，價(jià)格低廉，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。15種類種類：n 壓電晶體，如石英等；壓電晶體，如石英等；n 壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）等；）等；n 有機(jī)壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯（有機(jī)壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯（PVdF）等。）等。 （一）（一）石英晶體石英晶體石英晶體是具有良好壓電特性的壓電晶體。其石英晶體是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)的溫度介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。，在常溫范圍內(nèi)幾乎

14、不隨溫度變化。石英晶體的突出石英晶體的突出優(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。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)比壓電陶瓷低得多但石英材料價(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。因此一般僅用于標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)儀器準(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片，其物理性因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要

15、求正確地選擇石英片的切型。時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。 161. 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷BaTiO3鈦酸鋇是由碳酸鋇和二氧化鈦按鈦酸鋇是由碳酸鋇和二氧化鈦按1：1克分子比例混合后充分研磨成形，經(jīng)克分子比例混合后充分研磨成形，經(jīng)高溫高溫13001400oC燒結(jié)，然后經(jīng)人工極化處理得到的壓電陶瓷。燒結(jié)，然后經(jīng)人工極化處理得到的壓電陶瓷。這種壓電陶瓷具有這種壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的（約為石英晶體的50倍）。倍）。不足是居里溫度低不足是居里溫度低（120oC），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)

16、度不如石英晶體。2. 鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由 PbTiO3 和和 PbZrO3 組成的固溶體組成的固溶體 Pb（Zr、 Ti）O3 。它與。它與鈦酸鋇相比，鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在壓電系數(shù)更大，居里溫度在300oC以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。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他微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其他微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的還可以獲得不同性能的PZT材料。材料。因此，因此，PZT系列壓電陶瓷是目前壓電式

17、傳感器中應(yīng)用最為廣泛的壓電材料。系列壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最為廣泛的壓電材料。（二）（二）壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷具有壓電陶瓷具有很高的壓電系數(shù)很高的壓電系數(shù)，因此在壓電式傳感器中應(yīng)用十分廣泛。，因此在壓電式傳感器中應(yīng)用十分廣泛。17聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）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)的聚合物薄膜聚合物薄膜，這種合，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面平面鋸齒鋸齒”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)延展和拉伸后可以使分子。經(jīng)延展和拉伸后可以使

18、分子鏈軸鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。方向加直流高壓電場極化后，就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、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉易破碎、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，制成混合復(fù)合材料末，制成混合復(fù)合材料(PVF2PZT)。 （三）（三）有機(jī)壓電薄膜有機(jī)壓

19、電薄膜18當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體受到外力作用時(shí)，在兩個(gè)極面上積聚數(shù)量相等、當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體受到外力作用時(shí)，在兩個(gè)極面上積聚數(shù)量相等、極性相反的電荷形成了電場。極性相反的電荷形成了電場。因此，可把壓電傳感器看成一個(gè)視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣因此，可把壓電傳感器看成一個(gè)視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的體的電容器電容器。其電容量為。其電容量為 qq電極壓電晶體C(b)(a) 壓電傳感器的等效原理aAC19由于壓電晶片上有外力作用時(shí)，晶片兩表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力消失后，由于壓電晶片上有外力作用時(shí)，晶片兩表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力消失后，電荷也隨之消失，因此壓電傳感器可以等效為一

20、個(gè)電荷也隨之消失，因此壓電傳感器可以等效為一個(gè)一個(gè)電荷源一個(gè)電荷源q q 和一個(gè)電和一個(gè)電容器容器C Ca a的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖( (b b) )也可等效為也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) 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，其大小為當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為aaqUCqCaUaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路20qCaUaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路上述等效電路是在理想條件下得到的，也就是上述等效電路是在理想條件下得到的，也就是在傳感器內(nèi)部無漏電，外在傳

21、感器內(nèi)部無漏電，外電路的阻抗是無窮大時(shí)才成立電路的阻抗是無窮大時(shí)才成立。對于壓電式傳感器，如果負(fù)載不是無窮大，電路會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電，極板對于壓電式傳感器，如果負(fù)載不是無窮大，電路會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。因此，利用壓電式傳感器測上的電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。因此，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量時(shí)，必須采用極高阻抗的負(fù)載。在動(dòng)態(tài)測量時(shí)，變化快，量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量時(shí)，必須采用極高阻抗的負(fù)載。在動(dòng)態(tài)測量時(shí)，變化快，漏電量相對較小，故漏電量相對較小，故壓電式傳感器適宜做動(dòng)態(tài)測量壓電式傳感器適宜做動(dòng)態(tài)測量。21實(shí)際使用中，壓電傳感器往往采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的

22、晶片進(jìn)行串接或并接。實(shí)際使用中，壓電傳感器往往采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行串接或并接。CCUUqq22； 圖圖(a)為并聯(lián)形式，有：為并聯(lián)形式，有：圖圖(b)為串聯(lián)形式，有為串聯(lián)形式，有CCUUqq212；并聯(lián)接法并聯(lián)接法，電容量大，輸出，電容量大，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號(hào)，并適用于于測量緩變信號(hào)，并適用于以電荷作為輸出量的場合。以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，串聯(lián)接法，輸出電壓大，本輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)和測量電路輸入為輸出信號(hào)和測量電路輸入阻抗很高的場合。阻抗很高的場合。實(shí)際使用中，一般使壓電晶片

23、有一定的預(yù)應(yīng)力，當(dāng)然預(yù)應(yīng)力也不能太大，實(shí)際使用中，一般使壓電晶片有一定的預(yù)應(yīng)力，當(dāng)然預(yù)應(yīng)力也不能太大，否則將影響壓電式傳感器的工作靈敏度。否則將影響壓電式傳感器的工作靈敏度。22實(shí)際使用中，壓電傳感器通過電纜與測量電路相連接，因此實(shí)際使用中，壓電傳感器通過電纜與測量電路相連接，因此等效電路等效電路應(yīng)考慮電纜的連接電容、后接電路（前置放大器）的輸入電阻和輸入應(yīng)考慮電纜的連接電容、后接電路（前置放大器）的輸入電阻和輸入電容以及壓電傳感器絕緣電阻電容以及壓電傳感器絕緣電阻。完整的等效電路如下：。完整的等效電路如下：Ca傳感器的固有電容Ra傳感器的絕緣電阻Cc 電纜電容Ri 前置放大器輸入電阻Ci 前

24、置放大器輸入電容CaRaCcRiCiq壓電傳感器的壓電傳感器的完整等效電路完整等效電路CaRaCcRiCiUa23為保證傳感器和測試系統(tǒng)具有一定的低頻（或準(zhǔn)靜態(tài)）響應(yīng)為保證傳感器和測試系統(tǒng)具有一定的低頻（或準(zhǔn)靜態(tài)）響應(yīng)，就，就要求壓要求壓電傳感器的絕緣電阻電傳感器的絕緣電阻R Ra a應(yīng)保持在應(yīng)保持在 以上以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。到滿足一般測試精度的要求。310與之相適應(yīng)的，與之相適應(yīng)的，測試系統(tǒng)則應(yīng)具有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要測試系統(tǒng)則應(yīng)具有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗有相當(dāng)高的輸入阻抗R R i i ，否則

25、傳感器的信號(hào)電荷將通過輸入電路泄漏，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過輸入電路泄漏，產(chǎn)生測量誤差。產(chǎn)生測量誤差。24由于壓電元件產(chǎn)生的電量很小，所以為了測量必須由于壓電元件產(chǎn)生的電量很小，所以為了測量必須加一放大器加一放大器；另外，；另外，由于其自身的絕緣電阻很高，要求測量電路的前級(jí)輸入端有足夠高阻抗，由于其自身的絕緣電阻很高，要求測量電路的前級(jí)輸入端有足夠高阻抗，所以所以前置放大器輸入阻抗要高前置放大器輸入阻抗要高，以免電荷快速泄漏。，以免電荷快速泄漏。壓電傳感器的壓電傳感器的前置放大器前置放大器主要有兩個(gè)作用：主要有兩個(gè)作用：u 放大傳感器的輸出信號(hào)；放大傳感器的輸出信號(hào)；u 把傳感器的高輸出阻抗

26、變換成低阻抗輸出（阻抗變換器）。把傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出（阻抗變換器）。前置放大器有兩種形式：前置放大器有兩種形式：u 電壓放大器（輸出電壓與輸入電壓成正比）電壓放大器（輸出電壓與輸入電壓成正比）u 電荷放大器（輸出電壓和輸入電荷成正比）電荷放大器（輸出電壓和輸入電荷成正比）壓電傳感器組成的簡單測試系統(tǒng)如下：壓電傳感器組成的簡單測試系統(tǒng)如下：壓電式壓電式傳感器傳感器前置前置放大器放大器測量儀器測量儀器251、電壓放大器、電壓放大器amaaCtFdCqUsin由于等效電路中由于等效電路中Ra、 Ri再大，也會(huì)漏電，因此壓電式傳感電路只能準(zhǔn)確測再大，也會(huì)漏電，因此壓電式傳感電路只能準(zhǔn)確

27、測量隨時(shí)間變化的力。設(shè)該力為：量隨時(shí)間變化的力。設(shè)該力為：tFFmsin則元件上產(chǎn)生的電壓值為：則元件上產(chǎn)生的電壓值為：等效電阻等效電阻 和等效電容和等效電容 為：為：RiaiaRRRRRCicCCCaaCqU +CaRaRiCiCcUSCUa-R2R1+CaRCUSCUa-R2R126放大器輸入端的電壓為（復(fù)數(shù)形式）：放大器輸入端的電壓為（復(fù)數(shù)形式）：1()iciajRUd FjR CCCamaaCtFdCqUsin放大器輸入端的電壓的幅值為：放大器輸入端的電壓的幅值為：2221()mimacid FRURCCC+CaRCUSCUa-R2R1Ui輸入電壓與作用力之間的相位差為：輸入電壓與作用

28、力之間的相位差為：)(arctan2icaCCCR27在理想情況下，壓電傳感器的絕緣電阻在理想情況下，壓電傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器的輸入電阻和前置放大器的輸入電阻Ri均為均為無窮大，此時(shí)無窮大，此時(shí) 也趨于無窮大也趨于無窮大2222221()1()mimacimacid FRURCCCd FRCCCicamimCCCFdU由于輸出電壓與由于輸出電壓與 有關(guān)，其中電纜電容有關(guān)，其中電纜電容 的變化對整個(gè)測量系的變化對整個(gè)測量系統(tǒng)影響很大，整個(gè)測量系統(tǒng)對統(tǒng)影響很大，整個(gè)測量系統(tǒng)對 的變化非常敏感。的變化非常敏感。連線電纜的長度和形態(tài)發(fā)生變化，都將導(dǎo)致傳感器輸出電壓的變化，使傳連線電纜的長度

29、和形態(tài)發(fā)生變化，都將導(dǎo)致傳感器輸出電壓的變化，使傳感器的靈敏度也發(fā)生變化，感器的靈敏度也發(fā)生變化，這是使用電壓放大器的最大缺點(diǎn)這是使用電壓放大器的最大缺點(diǎn)。aciCCC、 、cCiaiaRRRRRcC28+CaRCUSCUa-R2R1Ui設(shè)放大器增益為設(shè)放大器增益為K211RKR則放大器轉(zhuǎn)換靈敏度為則放大器轉(zhuǎn)換靈敏度為2221/()scaciUKdSFRCCC為了擴(kuò)展傳感器的工作頻帶的低頻端需要增大為了擴(kuò)展傳感器的工作頻帶的低頻端需要增大R或增大或增大C因?yàn)樵龃箅娙葜禃?huì)減小系統(tǒng)的靈敏度，所以一般采取增大因?yàn)樵龃箅娙葜禃?huì)減小系統(tǒng)的靈敏度，所以一般采取增大R方法，故方法，故配置配置Ri很大的前置放

30、大器，此時(shí)傳感器能有較好的低頻響應(yīng)特性。很大的前置放大器，此時(shí)傳感器能有較好的低頻響應(yīng)特性。292、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前置放大器，它實(shí)際上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，它實(shí)際上是一個(gè)是一個(gè)利用電容作為反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放利用電容作為反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。它可以。它可以解決電解決電纜電容變化對傳感器靈敏度的影響。纜電容變化對傳感器靈敏度的影響。電荷放大器原理電路圖CaCcCi-AUiUyCFq()()iaciiyfquCCCuuC()yaciffAquCCCCACyiuAu 30如果放大器增益足夠大

31、，則如果放大器增益足夠大，則()yacifffA qquCCCCA CC上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜對地電容無關(guān)。比，并且與電纜對地電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜的長度變化，其靈敏度也無明顯因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜的長度變化，其靈敏度也無明顯變化，對其輸出無明顯影響，變化，對其輸出無明顯影響，這是電荷放大器的最突出的優(yōu)點(diǎn)這是電荷放大器的最突出的優(yōu)點(diǎn)。但與電壓。但與電壓放大器比較，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。放大器比較，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。目前，電荷放大器的應(yīng)

32、用日益增多。目前，電荷放大器的應(yīng)用日益增多。31（1）壓電元件的串并聯(lián)）壓電元件的串并聯(lián)（2）壓電片預(yù)應(yīng)力）壓電片預(yù)應(yīng)力壓電片在壓電傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力。壓電片在壓電傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力。（3）壓電力傳感器的安裝）壓電力傳感器的安裝壓電式力傳感器安裝時(shí)應(yīng)保證傳感器的敏感軸與受力方向一致。安裝傳壓電式力傳感器安裝時(shí)應(yīng)保證傳感器的敏感軸與受力方向一致。安裝傳感器的上、下接觸面要經(jīng)過精細(xì)加工，以保證平行度和平面度。感器的上、下接觸面要經(jīng)過精細(xì)加工，以保證平行度和平面度。當(dāng)接觸表面粗糙時(shí)，對環(huán)形壓電力傳感器，可以加裝應(yīng)力分布環(huán)，對并當(dāng)接觸表面粗糙時(shí)，對環(huán)形壓電力傳感器，可以加裝應(yīng)力分布

33、環(huán)，對并聯(lián)傳感器可加裝應(yīng)力分布?jí)K。在接觸面不平行時(shí)，可加裝球形環(huán)，應(yīng)力環(huán)、聯(lián)傳感器可加裝應(yīng)力分布?jí)K。在接觸面不平行時(shí)，可加裝球形環(huán)，應(yīng)力環(huán)、塊的彈性模量均不得低于傳感器外殼金屬材料的彈性模量。塊的彈性模量均不得低于傳感器外殼金屬材料的彈性模量。為牢固地安裝傳感器，環(huán)形傳感器可在中心孔加緊固螺栓?？傊?，裝卡為牢固地安裝傳感器，環(huán)形傳感器可在中心孔加緊固螺栓?？傊?，裝卡牢固是非常重要的，否則不僅會(huì)降低傳感器的頻響，還將影響測試的結(jié)果牢固是非常重要的，否則不僅會(huì)降低傳感器的頻響，還將影響測試的結(jié)果。32（4）合理選擇傳感器的量程和頻率響應(yīng)）合理選擇傳感器的量程和頻率響應(yīng)應(yīng)根據(jù)所測力的極限來選擇壓電力

34、傳感器的量程和頻響，不要使應(yīng)根據(jù)所測力的極限來選擇壓電力傳感器的量程和頻響，不要使傳感器所測負(fù)荷超過額定量程。傳感器的工作頻帶要能夠覆蓋待測力的傳感器所測負(fù)荷超過額定量程。傳感器的工作頻帶要能夠覆蓋待測力的頻帶。頻帶。（5）合理選用二次儀表）合理選用二次儀表測量低頻力信號(hào)時(shí)，因測試系統(tǒng)的頻率下限將主要取決于傳感器測量低頻力信號(hào)時(shí)，因測試系統(tǒng)的頻率下限將主要取決于傳感器的電荷放大器的時(shí)間常數(shù)，因此，測準(zhǔn)靜態(tài)力信號(hào)一般要求電荷放大器的電荷放大器的時(shí)間常數(shù)，因此，測準(zhǔn)靜態(tài)力信號(hào)一般要求電荷放大器輸入阻抗高于輸入阻抗高于1012，低頻響應(yīng)為，低頻響應(yīng)為0.001Hz顯示儀表采用直流數(shù)字電壓顯示儀表采用

35、直流數(shù)字電壓表。表。測量中、高頻力信號(hào)時(shí)，同樣對于后接器件，儀表有所要求。但測量中、高頻力信號(hào)時(shí)，同樣對于后接器件，儀表有所要求。但一般情況下，壓電力傳感器和電荷放大器對中、高頻的響應(yīng)較好，后接一般情況下，壓電力傳感器和電荷放大器對中、高頻的響應(yīng)較好，后接顯示儀表可用峰值電壓表、瞬態(tài)記錄儀、記憶示波器等。顯示儀表可用峰值電壓表、瞬態(tài)記錄儀、記憶示波器等。（6）合理選擇安裝連接電纜）合理選擇安裝連接電纜壓電力傳感器與電荷放大器、電荷放大器與顯示記錄儀表的連接大多壓電力傳感器與電荷放大器、電荷放大器與顯示記錄儀表的連接大多數(shù)情況下均采用低噪聲電纜。在組成測試系統(tǒng)時(shí)，要注意將電纜固定，數(shù)情況下均采用

36、低噪聲電纜。在組成測試系統(tǒng)時(shí)，要注意將電纜固定，避免因晃動(dòng)而產(chǎn)生電纜噪聲給測試系統(tǒng)帶來誤差。同時(shí)，要注意電纜插避免因晃動(dòng)而產(chǎn)生電纜噪聲給測試系統(tǒng)帶來誤差。同時(shí)，要注意電纜插頭及插座的清潔，以保證測試系統(tǒng)的絕緣電阻。頭及插座的清潔，以保證測試系統(tǒng)的絕緣電阻。（7）選擇縱、橫向壓電效應(yīng)）選擇縱、橫向壓電效應(yīng)在壓電傳感器中，一般利用壓電材料的縱向壓電效應(yīng)較多，這時(shí)所使在壓電傳感器中，一般利用壓電材料的縱向壓電效應(yīng)較多，這時(shí)所使用的壓電材料大多做成圓片式，有利于使用其橫向壓電效應(yīng)的。用的壓電材料大多做成圓片式，有利于使用其橫向壓電效應(yīng)的。33（一）壓電式加速度傳感器（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式

37、壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計(jì)（三）壓電式流量計(jì)壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動(dòng)的加速度，也可用于聲學(xué)（包括壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動(dòng)的加速度，也可用于聲學(xué)（包括超聲）和聲發(fā)射等的測量。超聲）和聲發(fā)射等的測量。34（一）壓電式加速度傳感器（一）壓電式加速度傳感器壓電陶瓷壓電陶瓷4和質(zhì)量塊和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊對質(zhì)量塊2預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上，測量時(shí)傳感器基座上，測量時(shí)傳感器基座5與被測對象牢牢地與被測對象牢牢地緊固在一起，輸出信號(hào)由電極緊固在一起，輸出信號(hào)由電極1引出。引出。當(dāng)傳感器受到振動(dòng)時(shí)，

38、質(zhì)量塊將感受與傳感當(dāng)傳感器受到振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊將感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力：反的慣性力：該慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為：該慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為：maF dmadFq說明電荷量將直接反映加速度的大小。它的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)和說明電荷量將直接反映加速度的大小。它的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)和質(zhì)量塊的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量塊的質(zhì)量有關(guān)。為了提高靈敏度為了提高靈敏度，采用壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。也可以增加壓電片的數(shù)目，采用壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。也可以增加壓電片的數(shù)目和采用合理的連接方法來提高傳感器的靈敏度。和采用合理的連接方法來提高傳感器的靈敏度。 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理:35（二）壓電式壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器引線引線殼體殼體基座基座壓電晶片壓電晶片受壓膜片受壓膜片導(dǎo)電片導(dǎo)電片當(dāng)膜片受到壓力后，在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。當(dāng)膜片受到壓力后，在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。qdFdPS36（三）壓電式流量計(jì)（三）壓電式流量計(jì)利用超聲波在利用超聲波在順流順流和和逆流逆流方向的傳播速度方向的傳播速度不同來進(jìn)行測量。不同來進(jìn)行測量。在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的在管外設(shè)置兩個(gè)相隔