第07章 壓電式傳感器

1、北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應壓電效應 壓電材料壓電材料 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式 等效電路等效電路 測量電路測量電路 壓電式傳感器應用舉例壓電式傳感器應用舉例本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：測試技術基礎測試技術基礎北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制正壓電效應正壓電效應 某些物質(zhì)在一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改某些物質(zhì)在一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉后，它們又變時，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉后，它

2、們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應逆壓電效應逆壓電效應 在壓電材料的兩個電極上加以交流電壓，壓電片會在壓電材料的兩個電極上加以交流電壓，壓電片會產(chǎn)生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，產(chǎn)生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應電致伸縮效應”，也稱，也稱“逆逆壓電效應壓電效應”。壓電效應壓電效應 ( piezoelectric effect )7.1 壓電效應壓電效應北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體的壓電效應演示

3、石英晶體的壓電效應演示機械能機械能電能電能7.1 壓電效應壓電效應北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7.1 壓電效應壓電效應用極化強度矢量表示材料的壓電效應：用極化強度矢量表示材料的壓電效應：zzyyxxPPPPxyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxddddddPddddddPddddddP363534333231262524232221161514131211dm,n為壓電系數(shù)，為壓電系數(shù)，m表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，n表示施加作用表示施加作用力的軸向。力的軸向。正壓電效應：正壓

4、電效應：22,/mNmCdnm（每單位力輸入時電荷密度）（每單位力輸入時電荷密度）逆壓電效應：逆壓電效應：mVmmdnm/,（每單位場強作用下的應變）（每單位場強作用下的應變）北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7.1 壓電效應壓電效應主要的壓電效應：主要的壓電效應：橫向效應；縱向效應；剪切效應橫向效應；縱向效應；剪切效應壓電效應作用方向圖壓電效應作用方向圖 例：石英晶體的壓電效應例：石英晶體的壓電效應xxxFdq11晶片在電軸晶片在電軸x-x方向上受到壓應力：方向上受到壓應力：結論：當石英晶體切片受結論：當石英晶體切片受x向壓力作用時，所產(chǎn)生的電向

5、壓力作用時，所產(chǎn)生的電荷量荷量qxx與作用力與作用力Fx成正比，但與切片的幾何尺寸無關。成正比，但與切片的幾何尺寸無關。 北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7.1 壓電效應壓電效應在橫向在橫向 (y-y) 施加作用力施加作用力yxyxyFlldq11結論：當沿著機軸結論：當沿著機軸y-y方向施加壓力時，產(chǎn)生的電荷方向施加壓力時，產(chǎn)生的電荷量與晶片幾何尺寸有關，而該電荷的極性則與沿電量與晶片幾何尺寸有關，而該電荷的極性則與沿電軸軸x-x方向加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反方向加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反(式中負號式中負號)。 北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學

6、機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù) 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它直接關系到壓電材料輸出的靈敏度；直接關系到壓電材料輸出的靈敏度； 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關；而固有電容又影響著壓電傳感器與介電常數(shù)有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限；的頻率下限； 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特征；固有頻率和動態(tài)特征；(1) (1) 壓電常數(shù)壓電常數(shù) (2) (2

7、) 彈性常數(shù)彈性常數(shù)(3) (3) 介電常數(shù)介電常數(shù)7.1 壓電效應壓電效應北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(4) (4) 機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù) 在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量( (如電如電能能) )與輸入能量與輸入能量( (如機械能如機械能) )之比的平方根。它是衡之比的平方根。它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數(shù)；量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數(shù)；(5) (5) 電阻電阻 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性；改善壓電傳

8、感器的低頻特性；(6) (6) 居里點居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)7.1 壓電效應壓電效應北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電元件材料一般有三類：壓電元件材料一般有三類： (1) 單晶壓電晶體（如上述的石英晶體）單晶壓電晶體（如上述的石英晶體） (2) 多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷(3) 新型壓電材料新型壓電材料 - 壓電半導體壓電半導體 - 高分子壓電材料高分子壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)

9、大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1. 石英晶體石英晶體 一種天然晶體，壓電系數(shù)一種天然晶體，壓電系數(shù)d112.3110-12C/N；莫氏硬度為莫氏硬度為7、熔點為、熔點為1750、膨脹系數(shù)僅為鋼的、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點：優(yōu)點： 轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達550(壓電壓電系數(shù)不隨溫度而改變系數(shù)不隨溫度而改變)、工作濕度高達、工作濕度高達100%、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性好。好。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院

10、北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制x軸：電軸或軸：電軸或1軸；軸；y軸：機械軸或軸：機械軸或2軸；軸；z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸。 “縱向壓電效應縱向壓電效應”：沿：沿電軸電軸(x軸軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應橫向壓電效應”：沿：沿機械軸機械軸(y軸軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷方向的力作用下產(chǎn)生電荷在在光軸光軸(z軸軸)方向有作用力時，不會產(chǎn)生壓電效應。方向有作用力時，不會產(chǎn)生壓電效應。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制天然石英晶體外形天然

11、石英晶體外形1. 石英晶體石英晶體7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體切片及封裝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7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振石英晶體在振蕩電路中工作蕩電路中工作時，壓電效應時，壓電效應與逆壓電效應與逆壓電效應交替作用，從交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出振蕩輸出晶振晶振7.2 壓電材料的分類及特性

12、壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2. 壓電陶瓷壓電陶瓷人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化（a）未極化的陶瓷）未極化的陶瓷 （b）正在極化的陶瓷）正在極化的陶瓷 （c）極化后的陶瓷）極化后的陶瓷7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制常見壓電陶瓷：常見壓電陶瓷：(1) 鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機械強度不如石英具有較高

13、的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機械強度不如石英(2) 鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3系壓電陶瓷系壓電陶瓷(PZT)壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，件變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的可以獲得不同性能的PZT材料。材料。(3) 鈮鎂酸鉛鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷壓電陶瓷(PMN)具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)仍能繼續(xù)工作，可作為高溫環(huán)境中測力傳感器。工作，可作為高溫環(huán)境

14、中測力傳感器。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形（上海硅酸鹽研究所研制）（上海硅酸鹽研究所研制）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3. 新型壓電材料新型壓電材料硫化鋅硫化鋅( ZnS)、碲化鎘、碲化鎘(CdT

15、e)、氧化鋅氧化鋅(ZnO)、硫化鎘、硫化鎘(CdS)、碲化鋅、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵和砷化鎵(GaAs)等。等。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 (2) 高分子壓電材料高分子壓電材料 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)、改性聚氯乙烯、改性聚氯乙烯(PVC)等。它等。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，具有防水性，可以大量連套管

16、等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達率響應范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。3. 新型壓電材料新型壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和

17、電纜7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應）（逆壓電效應）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制雙晶片結構形式雙晶片結構形式 實際使用中，采用單片壓

18、電片工作的話要產(chǎn)生足夠?qū)嶋H使用中，采用單片壓電片工作的話要產(chǎn)生足夠表面電荷就需很大作用力但測量粗糙度和微壓差時所提表面電荷就需很大作用力但測量粗糙度和微壓差時所提供的力很小，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或供的力很小，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或兩片以上同型號的壓電元件粘貼在一起。由于壓電晶片兩片以上同型號的壓電元件粘貼在一起。由于壓電晶片有電荷極性，因此連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。有電荷極性，因此連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。并聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)7.3 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制兩個壓電片

19、的聯(lián)結方式兩個壓電片的聯(lián)結方式 (b) “串聯(lián)串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。 適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。很高的地方。(a) “并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。7.3 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛

20、胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制hshsCra0aCQU 7.4 壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(a) 等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q與一個電容與一個電容Ca的并聯(lián)電路的并聯(lián)電路 (b) 等效成一個電源等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容和一個電容Ca的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路 7.4 壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 壓電式傳感器要求負載電阻壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數(shù)值，必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一

21、定數(shù)值以內(nèi)。因此常先接入一才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。路及其它電路。 測量電路關鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。測量電路關鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。 前置放大器兩個作用：前置放大器兩個作用： 把壓電式傳感器的微弱信號放大；把壓電式傳感器的微弱信號放大； 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1、電壓放大器、

22、電壓放大器Ca：傳感器電容：傳感器電容 Ra：傳感器漏電阻：傳感器漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器輸入電阻：放大器輸入電阻Ci：放大器輸入電容：放大器輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件上作用力壓電元件上作用力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFd

23、Ui111 22111icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制n當作用力為靜態(tài)力當作用力為靜態(tài)力(=0)時，前置放大器的輸入電壓時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能用于靜態(tài)量的為零。原理上決定了壓電式傳感器不能用于靜態(tài)量的測量。測量。n壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應相當好。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應相當好。 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路結論：結論： 22111icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入

24、電壓的幅值 北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制電壓放大器應用限制電壓放大器應用限制 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容電纜電容Cc就大，就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳元件少價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了感器測量精度的影響較大

25、，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應用。壓電式傳感器在某些場合的應用。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制解決電纜問題的辦法解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。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的壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個超石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。由于引線小型靜電放大器。由于引線非常短，引線電容幾乎等于非常短，引線電容幾乎等于零，就

26、避免了長電纜對傳感零，就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。放大器的器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓輸入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補了石英晶體信號，這樣彌補了石英晶體靈敏度低的缺陷。靈敏度低的缺陷。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉換為低內(nèi)阻的電壓源，大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同而且

27、輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達10101012 ，輸出阻抗小于，輸出阻抗小于100。 使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點：在一定條件下，：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關。傳感器的靈敏度與電纜長度無關。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電傳感器的電荷放大器等效電路壓電傳感器的電荷放大器等效電路 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路輸出電壓正比于輸入電荷。輸出電壓正比于輸

28、入電荷。在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關。在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關。fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0結論：結論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關，、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關系；而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關系；2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只

29、要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量 Q 變變化成線形關系的輸出電壓。化成線形關系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf 小，輸出就大。小，輸出就大。4、要達到一定的輸出靈敏度，必須選擇適當?shù)姆答侂娙?。、要達到一定的輸出靈敏度，必須選擇適當?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無關條件：、輸出電壓與電纜電容無關條件：(1+K)Cf (Ca+Cc+Ci)7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊主要指標主要指標:靈靈 敏敏 度度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選

30、一檔)頻率范圍頻率范圍：0.3100kHz(上、下限可選上、下限可選)噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV歸歸 一一 化化：外接電阻調(diào)整：外接電阻調(diào)整線性誤差線性誤差：1%最大輸出最大輸出：5V或或10V電電 源源：6V15V特特 點點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路多通道電荷放大器多通道電荷放大器北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛

31、制1. 高分子壓電材料的應用高分子壓電材料的應用玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置 將高分子壓電測將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎時會產(chǎn)生的振動信號，時會產(chǎn)生的振動信號，并將電壓信號傳送給并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。集中報警系統(tǒng)。粘貼位置7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2. 交通監(jiān)測交通監(jiān)測 將高分子壓電電纜將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）

32、、車速監(jiān)測、收輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。及機場滑行道等。7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式振動加速度傳感器結構及外形壓電式振動加速度傳感器結構及外形 橫向振動測振器橫向振動測振器縱向振動測振器縱向振動測振器7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用3. 在振動測量中應用在振動測量中應用 北京工業(yè)大學機電學院北京工業(yè)大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電振動加速度傳感器性能指標壓電振動加速度傳感器性能指標（以某小型（以某小型“內(nèi)裝內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器的壓電加速度傳感器”為例）為例） 技