傳感器原理 壓電式傳感器

1、傳感器原理 壓電式傳感器第1頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3118.1 壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”,又稱為電致伸縮效應(yīng)-驅(qū)動(dòng)器。FF極化面Q壓電介質(zhì)機(jī)械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性第2頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)

2、24分，星期日2022/8/312壓電傳感器的特點(diǎn) 1）磁電式速度傳感器響應(yīng)頻率范圍窄；2）磁電式機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞；3）磁電式傳感器質(zhì)量大，造成系統(tǒng)附加質(zhì)量大。與磁電式傳感器的比較：力敏感傳感器，可測(cè)力、壓力、加速度等雙向有源傳感器體積小、重量輕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠頻帶寬第3頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/313 各種小巧的壓力傳感器 壓電傳感器的外形 壓力變送器部件 壓力變送器第4頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/314一、石英晶體（SiO2)的壓電效應(yīng)特點(diǎn)：石英晶體是各向異性晶體晶體分右（左）旋外形規(guī)則xy

3、z第5頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/315石英晶體的三個(gè)晶軸光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。電軸（X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸（Y軸）：垂直于XZ面，在電場(chǎng)作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯。第6頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/316石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理電偶極矩P=qL, q為電荷量, L為正負(fù)電荷之間距離。2O2-Si4+L第7頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/317+-XYP1P2

4、P3當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、 P2、P3。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合, 電偶極矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。第8頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/318受到X方向的力縱向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P3晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, 正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合。電偶極矩在x方向上的分量由于P3的減小和P1、P2的增加而不等于零, 在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷

5、。當(dāng)作用力方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之改變。第9頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/319受到Y(jié)方向的力橫向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P3當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí), P3增大, P1、P2 減小。 在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷, 它的極性為：x軸正向?yàn)樨?fù)。 在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之改變。 第10頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3110受到Z方向的力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+-XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同, 所以正負(fù)電荷重心

6、保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 第11頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3111受到三向等壓力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+-XYP1P2P3如果沿x、y、z軸方向施加相同的作用力, 只有體積變化，沒有形變，正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零， 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即沒有體積變形的壓電效應(yīng)。 第12頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3112二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3 。材料內(nèi)部的晶粒有許

7、多自發(fā)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場(chǎng)。 在無外電場(chǎng)作用時(shí), 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應(yīng)被相互抵消, 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, 不具有壓電性質(zhì)。第13頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3113壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí), 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電場(chǎng)方向的排列, 從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng), 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。 讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度, 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí), 外電場(chǎng)去掉后, 電疇的極化方向變化不大, 即剩余極化

8、強(qiáng)度很大, 這時(shí)的材料才具有壓電特性。 極化方向即外加電場(chǎng)方向，取為Z軸方向。E第14頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3114壓電效應(yīng)演示第15頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3115三、壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算1、壓電效應(yīng)的表達(dá)式：j: j方向的應(yīng)力dij:j方向的力使得i面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù)ij:j方向的力在i面產(chǎn)生的電荷密度電荷量：面積第16頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3116x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在i面上產(chǎn)生電荷。

9、1、2、3分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的單向正應(yīng)力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力X0切型石英晶體切片的力 電分布xz3( 1) 2 1465(3 )(2)(1)(3)(2)i j = d i j j i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y第17頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3117壓電特性的矩陣表示矩陣的重要性第18頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3118關(guān)于壓電特性矩陣的說明：表示壓電元件的能量轉(zhuǎn)換

10、方式dij的大小表示壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱若矩陣中某一dij=0,則表示在j方向上的應(yīng)力在i方向上沒有壓電效應(yīng)是選擇轉(zhuǎn)換元件、確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生方向、轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)設(shè)計(jì)思考：測(cè)量什么？如何測(cè)量？第19頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3119壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式厚度拉（壓）型長度拉（壓）型第20頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3120厚度切變型厚度切變型三力相等：壓電陶瓷受壓變體積型第21頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3121正壓電效應(yīng)與剪切壓電效應(yīng)比較第22頁，共

11、133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31222、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算在x面上產(chǎn)生電荷：在1作用下，產(chǎn)生厚度變形（縱向壓電效應(yīng)）第23頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3123在2作用下，產(chǎn)生長度變形（橫向壓電效應(yīng)）由石英晶體的對(duì)稱性：第24頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3124在3作用下，沒有壓電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，在剪切應(yīng)力4、 5 、 6作用下：第25頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3125在x面上產(chǎn)生電荷：第26頁，共133頁

12、，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3126實(shí)驗(yàn)研究，在y面上產(chǎn)生電荷其它方向的壓電系數(shù)為：正應(yīng)力：剪切應(yīng)力：在Z面上產(chǎn)生電荷第27頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3127石英晶體的壓電方程第28頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3128第29頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3129石英晶體的基本變形形式厚度受力變形（d11)長度受力變形（d12)xyz11+-zxy22+-第30頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022

13、/8/3130面剪切變形(d14)xyz+-4面剪切變形(d25)yxz+-5第31頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3131厚度剪切變形(d26)yxz6+-第32頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31323、壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算zxy123z:極化方向；x、y可以互換。第33頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31331）在1、 2、 3作用下，z面產(chǎn)生電荷(d310, d320, d330 ）xyz123可以互換方向：x(或1)和y（或2）；推論：x、y方向的

14、剪應(yīng)力可以互換，即數(shù)字4、5。第34頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31342）在4作用下，在y面產(chǎn)生電荷(d240）厚度切變型yz4第35頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31353）在T5作用下，在x面產(chǎn)生電荷(d150）厚度切變xz5第36頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3136壓電陶瓷壓電方程第37頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3137第38頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/313

15、8壓電陶瓷變形形式：厚度變形：d33長度變形： d31 、d32厚度剪切變形： d24、 d15體積變形：d31 、d32 、d33第39頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3139練習(xí)例1、已知石英晶體的壓電系數(shù)矩陣如下所示，當(dāng)晶體受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，有哪幾種變形方式具有力電能量轉(zhuǎn)換的作用（即具有壓電效應(yīng)）？ d11 d12 0 d14 0 0 dij = 0 0 0 0 d25 d26 0 0 0 0 0 0壓電陶瓷第40頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31408.2 壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高分子壓電材料壓電

16、材料：明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料。性能要求：大壓電系數(shù)、剛度、電阻率和介電系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度高、居里點(diǎn)高等。常用壓電材料：第41頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3141一、壓電晶體1、石英晶體的幾何切型：在晶體坐標(biāo)中取某一方位的切割.切族分類X切族:原始位置：厚度方向平行于x軸，長度方向平行于y軸，寬度方向平行于 z軸。Y切族:原始位置：厚度方向平行于y軸，長度方向平行于x軸，寬度方向平行于 z軸。石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、鱗酸銨、硫酸鋰等.第42頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3142X切族X切族的IRE表示

17、方法：xyY切族的IRE表示方法：yx第43頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3143幾何切型的表示方法：切型代號(hào)： 表示原始方位晶片旋轉(zhuǎn)角：從x或y的正端看，逆時(shí)針為+，順時(shí)針為-旋轉(zhuǎn)軸例如：（xytl)+50/(-500)第44頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3144石英晶體的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx習(xí)慣表示習(xí)慣表示第45頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3145例1：（yxl)+35015(AT切型）xyzyz35015xyzyz35015第4

18、6頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3146例2 （xytl)+50/(-500)(NT切型）：zyxxyz50zyx500繞厚度軸轉(zhuǎn)繞長度軸轉(zhuǎn)第47頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31472、石英晶體的主要性能不需要人工極化沒有熱釋電效應(yīng)介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點(diǎn)溫度高：5730 C居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高第48頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3148二、壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3） ：1）最早使用；2）由碳酸鋇和二氧化鈦

19、按一定比例混合后燒結(jié)而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N ，是石英的幾十倍；4）工作溫度最高只有80, 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。鈮酸鋰（LiNbO3)單晶：1）多疇結(jié)構(gòu)，需要極化處理；2）壓電常數(shù)達(dá)80PC/N;3)工作溫度760。 第49頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3149壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）：(有4、5、8等多種系列）1）目前普遍使用；2）是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成；3） d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作溫度250 。性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇。

20、第50頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3150三、聚偏二氟乙烯（PVF2)有機(jī)高分子半晶態(tài)聚合物，定向拉伸后，由晶型轉(zhuǎn)化為晶型，此時(shí)有壓電效應(yīng)；壓電常數(shù)在拉伸長度方向最大，d31=20PC/N,垂直于長度方向的壓電常數(shù) d320.2 d31;頻響范圍寬，10-5Hz500MHz;柔軟，加工性能好；聲阻抗與水、人體肌肉接近；熱穩(wěn)定性好。第51頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3151常用壓電材料的性能參數(shù)比較如果環(huán)境溫度高，宜選擇何種材料？如果溫度環(huán)境好，靈敏度要求較高呢？第52頁，共133頁，2022年，5月20

21、日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3152 8.3 等效電路和測(cè)量電路晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為：力電荷電容器電荷發(fā)生器 A壓電片的面積; d壓電片的厚度; r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。第53頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3153電荷等效電路電壓等效電路第54頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3154考慮實(shí)際使用的等效電路實(shí)際使用時(shí)與測(cè)量儀器或測(cè)量電路相連接, 因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,壓電傳感器的泄漏電阻Ra，和放大器的輸入電阻Ri、

22、 輸入電容Ci。Ci第55頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3155壓電傳感器的特點(diǎn)以及對(duì)信號(hào)處理電路的要求：特點(diǎn)：有源傳感器高阻抗傳感器小功率要求：阻抗變換信號(hào)放大第56頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3156 測(cè)量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高, 而輸出能量較小 高輸入阻抗的前置放大器1）把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗; 2）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。輸出形式：電壓信號(hào)、電荷信號(hào)作用要求第57頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3157前置放大器兩種形式: 電壓放大器和電荷放大

23、器。一、電壓放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin第58頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3158KUaCaRC以壓電陶瓷為壓電材料(縱向壓電效應(yīng)）：厚度方向第59頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3159前置放大器輸入電壓幅值為：第60頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3160輸入電壓與作用力之間的相位差為：理想情況下（輸入電阻Ri 、且無漏電：Ra）R=Ri|Ra= ,放大器輸入電壓幅值為：頻率特性第61頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)2

24、4分，星期日2022/8/3161令：00901.0UinmUam0.51234從幅度-頻率曲線能得到什么結(jié)論？第62頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3162討論：=0時(shí)（靜態(tài)） ，Uinm/Uam=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測(cè)量靜態(tài)量。 3（動(dòng)態(tài)），Uinm/Uam1，接近理想特性。一定頻率范圍，輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。一定，越高，響應(yīng)越好。對(duì)低頻：一定，誤差加大。要求要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。輸出電壓靈敏度受到電纜分布電容影響。第63頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/

25、8/3163改善低頻特性的措施：靈敏度：低頻特性和靈敏度要求矛盾第64頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3164采取措施：提高絕緣電阻，根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器的輸入電阻Ri。討論：電路簡(jiǎn)單、可靠、元件少、價(jià)格低;電纜長度有限（1.2m),不能更換。電壓放大器電路特點(diǎn)：不能靠增加電容改善低頻特性。第65頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3165二、電荷放大器具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器KUscCfqa第66頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3166RfkUscC

26、fCiCcCaq當(dāng)開環(huán)增益、輸入電阻和反饋電阻相當(dāng)大，Cf折算到輸入端后的輸入電容為：開環(huán)增益第67頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3167Conclusions:輸出與電纜電容無關(guān)電纜可長達(dá)1km；可更換。Rf提供直流負(fù)反饋減小零漂、提高穩(wěn)定度?？蓽y(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量：=RfCf大，可測(cè)很低頻率的信號(hào)。第68頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3168例題：已知電荷放大器的反饋電容Cf50pf，輸入電容Ci0，反饋電阻Rf1M，電纜電容Cc300pf，壓電片的Ca100pf, Ra ,放大器的開環(huán)增益K104，求將放大器理

27、想化后引起的誤差？解：理想情況下，實(shí)際誤差：第69頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3169基座壓縮型壓電加速度傳感器 8.4 壓電式傳感器8.4.1 壓電加速度傳感器殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片壓電片第70頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3170一 、工作原理壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測(cè)量時(shí)傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用石英晶體等的壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受振時(shí)，質(zhì)量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。傳感器輸出電荷

28、也與加速度成正比。第71頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3171第72頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3172質(zhì)量塊的絕對(duì)位移x2，激勵(lì)為x1 ，質(zhì)量塊相對(duì)位移xt二、頻響特性受力分析第73頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3173傳遞函數(shù)xt - 質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器殼體的位移a0 - 被測(cè)物體的振動(dòng)加速度 - 振動(dòng)體振動(dòng)角頻率0 - 傳感器固有角頻率 - 阻尼比第74頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3174頻響特性：在壓電元件的

29、線彈性工作范圍內(nèi)，有：作用在壓電元件上的力相對(duì)位移第75頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3175作用在厚度拉壓型壓電陶瓷上的力第76頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3176當(dāng)/ 0相當(dāng)小時(shí)，有：第77頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3177頻率比/ 0相對(duì)靈敏度00.11.04.01.00.12.0幅頻響應(yīng)曲線(歸一化曲線）10520.7070.50.2第78頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3178仿真結(jié)果：第79頁，共133頁

30、，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3179討論：當(dāng)0時(shí)，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)由于壓電式傳感器的變形很小（剛度 k 很大），所以壓電式加速度傳感器的0很大（頻帶較寬）（一般可達(dá)幾十千赫），所以頻響范圍寬、高頻響應(yīng)好。測(cè)量上限不能取固有頻率，實(shí)際工作頻段取為（1/5） 0左右。低頻響應(yīng)取決于測(cè)量回路，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)越大，低頻響應(yīng)越好。第80頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3180壓電元件的組合方式第81頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3181串聯(lián);電荷相等電壓相加電容減小并聯(lián)：電

31、壓相等電荷相加電容相加第82頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3182三、壓電加速度傳感器常用結(jié)構(gòu)1、壓縮型質(zhì)量塊外殼壓電元件基座第83頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3183特點(diǎn)：基于厚度變形,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；固有頻率較高；靈敏度高（d11、d33大） ；對(duì)環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、噪聲）比較敏感。第84頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3184壓電傳感器測(cè)量振動(dòng)的動(dòng)畫演示第85頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31852、剪切

32、型環(huán)型剪切（壓電元件為柱裝圓環(huán)）外殼質(zhì)量塊壓電陶瓷元件中心柱基座膠接第86頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3186xyz44Z極化方向xy55壓電陶瓷第87頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3187三角剪切型預(yù)緊環(huán)壓電元件質(zhì)量塊三角中心柱特點(diǎn)：不用膠接，溫度范圍寬，線性度高。第88頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3188H剪切型1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中心左右對(duì)稱；2）壓電元件采用多片疊合，提高輸出電荷、電容；3）可以抑制應(yīng)變、熱感應(yīng)誤差，低頻好，0.1Hz.特點(diǎn)：壓電元件質(zhì)量塊緊

33、固螺栓螺帽第89頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3189剪切型總的特點(diǎn)：受環(huán)境影響小橫向靈敏度小尺寸小、重量輕靈敏度高頻響高第90頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3190(a)中心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型壓縮型：壓電元件質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，結(jié)構(gòu)共振頻率高?；鵅與測(cè)試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化， 易引起溫度漂移。環(huán)形剪切型：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型化、高共振頻率，環(huán)形質(zhì)量塊粘貼到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電

34、元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。三角剪切形：壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。結(jié)構(gòu)比較第91頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3191產(chǎn)品外形。壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起。第92頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31923、三向加速度傳感器第一組：壓縮型第二組：剪切型第三組：剪切型預(yù)緊筒壓電元件方法：利用三組石英壓電元件,共用質(zhì)量塊第93頁，共13

35、3頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3193思考1：如何實(shí)現(xiàn)三個(gè)壓電片值只對(duì)一個(gè)方向敏感？思考2：分析d25的影響。(面內(nèi)剪切）FXFZFYyx切型xy切型yx切型d26d26d11答：依靠慣性質(zhì)量塊和合理的壓電切型。第94頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3194第95頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3195用于振動(dòng)分析 振動(dòng)分析部分工具：加速度計(jì)、力傳感器 第96頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3196HP振動(dòng)分析系統(tǒng)組成第97頁，共133

36、頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31978.4.2 壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器用途舉例：機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量等。壓電常數(shù)：d11。石英晶體F特點(diǎn)：體積小，重量輕（10g），固有頻率高（50KHz），分辨力高：103N。第98頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31982、雙向力傳感器zyxT6T6測(cè)量FZ的石英測(cè)量FX的石英下面的石英：d11,xy切型；上面的石英：d26,yx切型；第99頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/3199雙向力傳感器俯視圖第100頁，共133

37、頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/311003、三向力傳感器FXFZFY第101頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31101三向力傳感器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)加載位置第102頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31102“y”測(cè)量電路改為“3”第103頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31103二、壓力傳感器膜片式壓電壓力傳感器后座墊圈外殼石英晶片導(dǎo)電片傳力塊膜片石英晶片P第104頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31

38、104預(yù)緊筒加載壓力傳感器芯體絕緣套外殼晶片組電極預(yù)緊筒膜片預(yù)緊方法：擰緊芯體。問題：膜片產(chǎn)生彎曲變形。解決方法：采用預(yù)緊筒；先預(yù)緊，后焊接膜片。第105頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31105F1：石英晶片上受到的力F2：預(yù)緊筒圓周受到的力晶片組加載板殼體FFF1F2第106頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31106k1：石英晶片組的剛度k2：預(yù)緊筒的剛度設(shè)計(jì)要求：k2k1。優(yōu)點(diǎn)：1）線性度好；2）利用水冷 方式提高 工作溫度。第107頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8

39、/31107第108頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31108三、壓力傳感器的加速度補(bǔ)償補(bǔ)償方法1：減小慣性質(zhì)量補(bǔ)償方法2：加補(bǔ)償石英片補(bǔ)償晶片附加質(zhì)量塊測(cè)壓晶片組原因：由于加速度的作用，壓電元件上受到與總質(zhì)量成正比的慣性力的作用而產(chǎn)生電荷輸出，與壓力信號(hào)混疊，造成測(cè)量誤差。第109頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31109補(bǔ)償方法3：雙膜片預(yù)加載（作用力相反）加速度補(bǔ)償上膜片預(yù)加載F1 下膜片預(yù)加載F2上膜片的撓度變化為；下膜片的撓度變化為；設(shè)振動(dòng)位移為，方向朝上。石英晶體的厚度沒有變化。第110頁，共133

40、頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31110石英晶體的上表面作用力為：石英晶體的上表面作用力為： 綜合效果：不產(chǎn)生電荷。對(duì)靈敏度的影響：由于兩個(gè)膜片對(duì)外力P相當(dāng)于并聯(lián)，所以每個(gè)膜片實(shí)際受力為P/2，所以靈敏度下降為原來的1/2。第111頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31111例2：已知一壓電式加速度傳感器的電壓放大器的總電容C=1000pf， 總電阻R=500M，傳感器的固有頻率為 f0=30KHz,阻尼比=0.5,求幅值誤差在2%以內(nèi)的使用頻率。如何改善其低頻響應(yīng)性能？為什么壓電式傳感器不能測(cè)量絕對(duì)靜態(tài)量？ 解：第112

41、頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31112改善其低頻響應(yīng)性能方法：提高絕緣電阻和放大器的輸入電阻；或改用電荷放大器；得到：不能測(cè)量靜態(tài)量的原因：電荷通過并聯(lián)電阻泄漏。第113頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/311138.5 誤差分析一、環(huán)境溫度的影響溫度T改變壓電常數(shù)d、介電常數(shù)、體電阻R、彈性模量E的變化。第114頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31114熱釋電效應(yīng)的影響熱釋電效應(yīng)：晶體材料在溫度變化時(shí)釋放電荷的現(xiàn)象.對(duì)多晶壓電陶瓷，溫度變化產(chǎn)生電荷特點(diǎn)：低頻，2Hz

42、;第115頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31115瞬變溫度的影響溫度梯度熱應(yīng)力熱輸出防止措施：采用剪切型：壓電片與殼體隔離、中心柱與基座隔離；冷卻：注入循環(huán)水質(zhì)量塊壓電陶瓷元件第116頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31116采用隔熱片：膜片與壓電元件之間放置非 極化鋯鈦酸鉛陶瓷等導(dǎo)熱率小的隔熱墊片；第117頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31117 采用溫度補(bǔ)償片：在膜片與壓電片之間放置溫度補(bǔ)償片，其溫度膨脹補(bǔ)償殼體變形引起的預(yù)緊力的變化（如溫度升高，殼體變長，預(yù)緊

43、力減?。谎a(bǔ)償晶片變長，增加預(yù)緊力。）第118頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31118二、環(huán)境濕度的影響絕緣電阻（泄漏電阻）低頻響應(yīng)變壞三、橫向靈敏度KyKx最大橫向靈敏度主軸靈敏度最大靈敏度現(xiàn)象：傳感器最大靈敏度方向與主軸不重合。原因：切片方向、極化方向（壓電陶瓷）、表面粗糙度、兩個(gè)平面的平行度和安裝等。第119頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/311190306090120150180210240270300330最大橫向靈敏度方向橫向靈敏度與加速度方向的關(guān)系理想橫向加速度方向第120頁，共133頁，2022

44、年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31120測(cè)試橫向靈敏度示意圖選擇最小橫向靈敏度方向第121頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31121四、基座應(yīng)變影響現(xiàn)象：安裝部位由于被測(cè)構(gòu)件的作用而產(chǎn)生變形。金屬屏蔽層絕緣層芯線五、電纜噪聲特點(diǎn)：基座應(yīng)變對(duì)剪切型比對(duì)壓縮型的影響小。解決方法：固定電纜第122頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31122六、接地回路噪聲電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則： 通常把大地看成等電位體，實(shí)際上大地各處的電位是不同的。如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在二點(diǎn)接地，則由于這兩點(diǎn)之間的地電位差而引起干擾，這時(shí)采

45、用“一點(diǎn)接地”就可以有效削弱這些干擾。對(duì)于一個(gè)測(cè)量電路而言只能是“一點(diǎn)接地”。第123頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31123本章要點(diǎn)壓電傳感器的工作原理:壓電效應(yīng)石英晶體三晶軸：光學(xué)軸（z）、機(jī)械軸（y）、電軸（x）壓電方程變形形式：厚度變形（d11）長度變形 （d12 ）、厚度剪切變形（ d14、 d25）、面剪切變形（ d26）切型：X切、Y切壓電陶瓷極化壓電方程變形形式：厚度變形（d33）、長度變形（ d31 、d32 ）、厚度剪切變形（ d24、 d15）、體積變形（d31 、d32 、d33）第124頁，共133頁，2022年，5月20日

46、，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31124壓電傳感器的測(cè)量電路等效電路：電荷發(fā)生器、電壓源電壓放大器：不能測(cè)靜態(tài)量，如何改善低頻響應(yīng)電荷放大器：輸出與電纜電容無關(guān)，可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量壓電傳感器加速度傳感器：壓縮式：頻響特性、結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。剪切式：結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。力傳感器壓力傳感器應(yīng)用第125頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31125壓電傳感器的特點(diǎn):力敏感傳感器、雙向有源傳感器、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、頻帶寬高阻抗傳感器、小功率。需要阻抗變換和信號(hào)放大存在橫向靈敏度問題第126頁，共133頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)24分，星期日2022/8/31126作業(yè)8-2、8-5 第127頁，共133頁，2022年，5月20日，2