壓電傳感器講稿

1、關于壓電傳感器第一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結構簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術的飛速發(fā)展，隨著與之配套的低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等許多技術領域中獲得了廣泛的應用。 第四節(jié) 壓電式傳感器第二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月一

2、、壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應逆壓電效應第三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）石英晶體的壓電效應天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂

3、直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYX通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。第四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結構決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。

4、(b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+第五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 當作用力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 當晶體受到沿X方向的壓力（FX0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX

5、0+-P1P2P3第六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月可見，當晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當FY0時，晶體的形變與圖（b）相似；當FY0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。 （P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 當晶體受到沿X方向的拉力（FX0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。第七張，PPT

6、共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應。 假設從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當晶片受到沿X軸方向的壓縮應力XX作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度PXX與應力XX成正比，即ZYXbl石英晶體切片t第八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月式中:XX X軸方向的壓縮應

7、力 ； d11壓電系數(shù)， FXX軸方向的施加的壓力； 當受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同，石英晶體d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長度和寬度。 極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即 式中 qX垂直于X軸平面上的電荷。極化強度PXX:第九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即 將上兩式整理，得 式中 電極面間電容。 其極間電壓為極化強度PXX:第十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反

8、，見圖(a)、(b)。 FXFX+(a)(b)XX 如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d）.+(c)(d)FYFYXX第十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 在同一晶片上，當作用力是沿機械軸的方向時，在與X軸垂直平面上出現(xiàn)的電荷的大小為 ： 根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=d12，則上式為式中 t晶片厚度。 則其極間電壓為 l、t石英晶片的長度和厚度。式中 d12石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù)。第十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月由上述可知： 無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間呈

9、線性關系； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。 第十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二） 壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。直流電場E剩余極化強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 電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a）。 第十四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作

10、于2022年6月 當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。 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第十五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片

11、將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉變?yōu)殡娦蛘哂蓹C械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應。 極化方向正壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F第十六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強

12、度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負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（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉變?yōu)闄C械效應或者由電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應。逆壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況） 極化方向電場方向第十七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(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)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應。此外

13、，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結果。直流電場E剩余極化強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 第十八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、壓電材料種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等。 對壓電材料特性要求： 轉換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。 電性能

14、。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。 第十九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（一） 石英晶體 石英（SiO2）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)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當?shù)?73時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。 1.000.990.980.970.960.9520406

15、080100120140160180200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系數(shù)相對于20的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/相對介電常數(shù)居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性第二十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。 因為石英是一種各向異性晶體，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、溫度特性等）相差很大。為了在設計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的

16、切型。 第二十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二） 壓電陶瓷 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1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50倍）。不足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(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）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓

17、電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。 第二十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）壓電半導體材料 硫化鋅，氧化鋅，硫化鎘，碲化鋅，砷化鎵等特點：既具有半導體特性，又具有壓電效應。用半導體特性制作電子器件，用壓電效應研制傳感器，或兩者結合，集元件與線路于一體，制成新型集成壓電傳感器。3、壓電聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應較強的聚合物薄膜。 經(jīng)延展和拉伸后可以使這種聚合物薄膜分子鏈軸成規(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。當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。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

18、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，制成混合復合材料(PVF2PZT)。 第二十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、 壓電式傳感器的測量電路（一）等效電路 當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器，如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。其電容量為 qq電極壓電晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路 當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為：第二十四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 壓電傳感器可等效

19、為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)； 也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)。 qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理 傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏（Ra)，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。第二十五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2

20、022年6月如果用導線將壓電傳感器和測量電路連接時,則應考慮連線的等效電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri 、輸入電容Ci 。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci 前置放大器輸入電容 Cc 連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準靜態(tài)響應，要求壓電傳感器絕緣電阻應保待在1013以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與此相應，前置放大器要有相當高的輸入阻抗，亦即測試系統(tǒng)則應有較大的時間常數(shù)。 第二十六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6

21、月（二） 測量電路電壓放大器 其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器 其輸出電壓與輸入電荷成正比。 前置放大器形式：放大壓電式傳感器輸出的弱信號。把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出；壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：第二十七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖中，Ri前置放大器輸入電阻和漏電阻Ra的等效電阻R為C1 =Cc+Ci Ci前置放大器輸入電容 和Cc 連線電容的等效電容為1、電壓放大器 傳感器等效電路為電壓源1Ua1RaCcCiRiCa第二十八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1、電壓放大器 由圖可得放大器輸入端的電壓Ui為：而式中：C

22、=C1+Ca=Cc+Ci1 傳感器等效電路為電壓源第二十九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月Fm作用力的幅值假設壓電元件所受作用力 若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為 Um電壓幅值 所以第三十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月由圖(b)可得放大器輸入端的電壓Ui為將代入Ui的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差為第三十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月Ui的幅值Uim為 令=R(Ca+Cc+Ci)=RC，為測量回路的時間常數(shù)，并令0=1/，則可得可見，如果/01，即作用力變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠大于1時。

23、前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無關。一般認為/03，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無關。這說明，在測量回路時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當好的高頻響應特性。 當被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數(shù)不大時，會造成傳感器靈敏度下降，因而要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數(shù)。第三十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月因為R1，故上式可以近似為 可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。 靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得

24、 增大測量回路的電容來提高時間常數(shù).所以，常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應也越好。第三十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 2、電荷放大器 電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達式為： A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF第三十四張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF 畫出電荷放大器的等效電路圖A0Ca

25、RaRCUSCUq CF、RF等效到A0的輸入端時，電容CF將增大(1A0)倍。電導1RF也增大了(1A0)倍。所以圖中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，這就是所謂“密勒效應”的結果。第三十五張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月A0CaRaRCUSCUq運放輸入電壓輸出電壓C=(1A0)CF；1/R=(1A0)RF電荷放大器的等效電路圖第三十六張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF。若考慮電纜電容Cc，則有可見當A0足夠大時，輸出電壓與A0無關，只取

26、決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。 CF一般取值100-104pF。第三十七張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月四、壓電式傳感器的應用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用USC與q間的相位差為第三十八張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345縱向效應型加速度傳感器的截面圖（一

27、） 壓電式加速度傳感器 其結構一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種。 縱向效應是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。qd33Fd33ma第三十九張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。 若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接

28、方法也可提高傳感器靈敏度。 qd33Fd33ma第四十張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍，即 圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，而輸出電壓U為單片電壓U的二倍，總電容C為單片電容C的一半，即+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件+并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)

29、接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。第四十一張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（二） 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結構形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導電片6組成。當膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強， ；S膜片的有效面積。123456p壓電式測壓傳感器原理圖第四十二張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： 因為 ，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容電壓靈敏度電荷靈敏度第四十三張，PPT共四十八頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動