常用傳感器工作原理壓電式

關(guān)于常用傳感器工作原理壓電式第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三23.6壓電式傳感器基于某些材料的壓電效應(yīng)，通過(guò)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(cè)量---(有源傳感器)傳感元件具有壓電效應(yīng)被測(cè)信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理電路輸出信息壓電元件壓電元件壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)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。壓電傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量輕等優(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)，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。第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3§1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)一般將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然石英晶體，人工制造的壓電陶瓷等。第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4石英晶體是應(yīng)用最廣的壓電晶體，有天然石英和人造石英。天然石英性能較人造石英更穩(wěn)定，其介電常數(shù)和壓電常數(shù)的穩(wěn)定性好（在幾百度范圍內(nèi)不變），機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性好，重復(fù)性好，線性范圍寬。ZXY(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX

光軸（無(wú)壓電效應(yīng)）

電軸（縱向）

機(jī)械軸（橫向）

正壓電效應(yīng)最明顯

逆壓電效應(yīng)最明顯石英晶體在溫度低于573oC時(shí)，為-石英，屬六角晶系；高于573oC時(shí)，為-石英，屬三角晶系。實(shí)驗(yàn)證明，-石英的壓電效應(yīng)很明顯，-石英的壓電效應(yīng)可忽略。-石英外形為六角形晶柱，兩端是六棱錐形狀，用三個(gè)互相垂直的軸來(lái)表示。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5石英晶體是如何產(chǎn)生壓電效應(yīng)的？這主要與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體的分子式是，每個(gè)晶體單元含有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子。將它們?cè)赯平面投影，并等效為正六邊形排列。(b)(a)XY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++---YX+第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6如圖，A、B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得到的電鍍面。++---YX+AB++---YX+ABFxFx＋＋＋＋＋－－－－－－++---YX+AB＋＋＋＋＋－－－－－－－FxFx第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7++++－－－－++++－－－－－－－－++++－－－－++++(c)(d)FXFX(a)(b)XXFYFYXX++---YX+AB第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8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(dāng)晶片受到沿X軸方向的應(yīng)力Fx作用時(shí)，晶片將在垂直X軸方向的兩個(gè)電極面積聚電荷，其大小為：ZYXha石英晶體切片b由此可知，縱向壓電效應(yīng)與面積A1大小無(wú)關(guān)，即與晶體的幾何尺寸無(wú)關(guān)。x軸方向受力的壓電系數(shù)第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9若沿Y軸方向施加壓力Fy時(shí),則在A面上出現(xiàn)正電荷，在B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，其大小為：此時(shí)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)，所以橫向壓電效應(yīng)與晶體的幾何尺寸有關(guān)。沿z軸方向施加力時(shí)，由于硅、氧離子是對(duì)稱平移，故在表面沒(méi)有電荷呈現(xiàn)，沒(méi)有壓電效應(yīng)。++---YX+ABZYXha石英晶體切片b的方向由所受力是壓力還是拉力決定。第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三10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(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用下，如圖（a），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0。直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

在外電場(chǎng)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(chǎng)的方向排列，從而使材料極化。如圖（b）。極化后，當(dāng)外電場(chǎng)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）第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三11通過(guò)上面的分析，在陶瓷片極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，一端為負(fù)。如下圖。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上很快吸附了一層來(lái)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(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(duì)外的作用。因此，陶瓷片對(duì)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第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三12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)度也變小。因此，原來(lái)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(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過(guò)程)，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)充電現(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－＋壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)中，充放電多少，與外力的大小成正比，即：壓電系數(shù)注意，剛剛極化后的壓電陶瓷的特性是不穩(wěn)定的，經(jīng)過(guò)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(guò)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)。第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三13同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。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(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)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(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，就是逆壓電效應(yīng)。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場(chǎng)方向Ｅ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）第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三14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(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過(guò)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。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)極化經(jīng)過(guò)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。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)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。第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三15§2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（PZT）等；有機(jī)壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯（PVdF）等。（一）

石英晶體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)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。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。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。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)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三161.鈦酸鋇壓電陶瓷BaTiO3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)高溫1300～1400oC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。2.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3

和PbZrO3

組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3

。它與鈦酸鋇相比，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）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此，PZT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）

壓電陶瓷壓電陶瓷具有很高的壓電系數(shù)，因此在壓電式傳感器中應(yīng)用十分廣泛。第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三17聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(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(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)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(PVF2—PZT)。

（三）

有機(jī)壓電薄膜第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三18§3壓電式傳感器及其等效電路當(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(chǎng)。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，中間為絕緣體的電容器。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第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三19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個(gè)一個(gè)電荷源q和一個(gè)電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)也可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)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qCaUaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三20qCaUaCa（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，也就是在傳感器內(nèi)部無(wú)漏電，外電路的阻抗是無(wú)窮大時(shí)才成立。對(duì)于壓電式傳感器，如果負(fù)載不是無(wú)窮大，電路會(huì)按指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無(wú)法保持不變，從而造成測(cè)量誤差。因此，利用壓電式傳感器測(cè)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(cè)量時(shí)，變化快，漏電量相對(duì)較小，故壓電式傳感器適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三21實(shí)際使用中，壓電傳感器往往采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶片進(jìn)行串接或并接。

圖(a)為并聯(lián)形式，有：圖(b)為串聯(lián)形式，有并聯(lián)接法，電容量大，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)和測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。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。第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三22實(shí)際使用中，壓電傳感器通過(guò)電纜與測(cè)量電路相連接，因此等效電路應(yīng)考慮電纜的連接電容、后接電路（前置放大器）的輸入電阻和輸入電容以及壓電傳感器絕緣電阻。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

前置放大器輸入電容CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路CaRaCcRiCiUa第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三23為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)具有一定的低頻（或準(zhǔn)靜態(tài)）響應(yīng)，就要求壓電傳感器的絕緣電阻Ra應(yīng)保持在以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與之相適應(yīng)的，測(cè)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Ri

，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，產(chǎn)生測(cè)量誤差。第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三24由于壓電元件產(chǎn)生的電量很小，所以為了測(cè)量必須加一放大器；另外，由于其自身的絕緣電阻很高，要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端有足夠高阻抗，所以前置放大器輸入阻抗要高，以免電荷快速泄漏。壓電傳感器的前置放大器主要有兩個(gè)作用：放大傳感器的輸出信號(hào)；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：

電壓放大器（輸出電壓與輸入電壓成正比）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(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)如下：壓電式傳感器前置放大器測(cè)量?jī)x器§4測(cè)量電路第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三251、電壓放大器由于等效電路中Ra、Ri再大，也會(huì)漏電，因此壓電式傳感電路只能準(zhǔn)確測(cè)量隨時(shí)間變化的力。設(shè)該力為：則元件上產(chǎn)生的電壓值為：等效電阻和等效電容為：+CaRaRiCiCcUSCUa-R2R1+CaRCUSCUa-R2R1第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三26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的幅值為：+CaRCUSCUa-R2R1Ui輸入電壓與作用力之間的相位差為：第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三27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Ri均為無(wú)窮大，此時(shí)也趨于無(wú)窮大由于輸出電壓與有關(guān)，其中電纜電容的變化對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)影響很大，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)的變化非常敏感。連線電纜的長(zhǎng)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)。第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三28+CaRCUSCUa-R2R1Ui設(shè)放大器增益為K則放大器轉(zhuǎn)換靈敏度為為了擴(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R方法，故配置Ri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。第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三292、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。它可以解決電纜電容變化對(duì)傳感器靈敏度的影響。電荷放大器原理電路圖CaCcCi-AUiUyCFq第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三30如果放大器增益足夠大，則上式表明，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(duì)地電容無(wú)關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜的長(zhǎng)度變化，其靈敏度也無(wú)明顯變化，對(duì)其輸出無(wú)明顯影響，這是電荷放大器的最突出的優(yōu)點(diǎn)。但與電壓放大器比較，其電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。目前，電荷放大器的應(yīng)用日益增多。第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三31（1）壓電元件的串并聯(lián)

§5壓電式力傳感器的合理使用

（2）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。（3）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。安裝傳感器的上、下接觸面要經(jīng)過(guò)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(duì)環(huán)形壓電力傳感器，可以加裝應(yīng)力分布環(huán)，對(duì)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)、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(cè)試的結(jié)果。第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三32

（4）合理選擇傳感器的量程和頻率響應(yīng)應(yīng)根據(jù)所測(cè)力的極限來(lái)選擇壓電力傳感器的量程和頻響，不要使傳感器所測(cè)負(fù)荷超過(guò)額定量程。傳感器的工作頻帶要能夠覆蓋待測(cè)力的頻帶。（5）合理選用二次儀表測(cè)量低頻力信號(hào)時(shí)，因測(cè)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(cè)準(zhǔn)靜態(tài)力信號(hào)一般要求電荷放大器輸入阻抗高于1012Ω，低頻響應(yīng)為0.001Hz顯示儀表采用直流數(shù)字電壓表。測(cè)量中、高頻力信號(hào)時(shí)，同樣對(duì)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(duì)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。（6）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數(shù)情況下均采用低噪聲電纜。在組成測(cè)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(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)誤差。同時(shí)，要注意電纜插頭及插座的清潔，以保證測(cè)試系統(tǒng)的絕緣電阻。（7）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。第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三33§6壓電式傳感器的應(yīng)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(jì)壓電式傳感器常用來(lái)測(cè)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(cè)量。第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三34（一）壓電式加速度傳感器壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過(guò)螺母3對(duì)質(zhì)量塊2預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上，測(cè)量時(shí)傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起，輸出信號(hào)由電極1引出。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反的慣性力：該慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為：說(shuō)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)。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)目和采用合理的連接方法來(lái)提高傳感器的靈敏度。

結(jié)構(gòu)原理:第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三35（二）壓電式壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片當(dāng)膜片受到壓力后，在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023