第6章壓電式傳感器v2

現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日邁克爾遜干涉儀現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日心率測(cè)量現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日喇叭點(diǎn)亮LED燈現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)與壓電材料6.2壓電式傳感器測(cè)量電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，重量輕，工作頻率寬，可測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力（一般必須高于100Hz）、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。壓電器件受力、表面形變電荷現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日6.1壓電效應(yīng)與壓電材料（正）壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿一定方向受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。FF＋＋＋＋＋－－－－－F－－－－－＋＋＋＋＋F現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日逆壓電效應(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)，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，外加電場(chǎng)撤去后，這些變形和應(yīng)力也隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)/電致伸縮效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日石英晶體的壓電效應(yīng)演示

當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

將超聲波（機(jī)械振動(dòng)波）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)是利用壓電材料的_____；蜂鳴器中發(fā)出“嘀……嘀……”聲的壓電片發(fā)聲原理是利用壓電材料的______?，F(xiàn)在是13頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電材料/壓電元件：具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)常見的壓電材料有：石英晶體經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷高分子壓電材料現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

壓電材料的主要特性參數(shù)壓電常數(shù)彈性常數(shù)（剛度）介電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)電阻居里點(diǎn)壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有電容、頻率下限機(jī)電轉(zhuǎn)換效率泄漏電荷、改善低頻特性喪失壓電性的溫度現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日一、石英晶體：天然形成的石英晶體外形現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日天然形成的石英晶體外形現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日6.1石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體具有如圖6.1所示的規(guī)則的幾何形狀，它是一個(gè)六棱柱，兩端是六棱錐。石英晶體是各向異性體，即在各個(gè)方向晶體性質(zhì)是不同的。圖6.1石英晶體現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

在結(jié)晶學(xué)中，將石英晶體的結(jié)構(gòu)用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z稱為光軸，經(jīng)過六棱柱棱線并垂直于光軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時(shí)垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機(jī)械軸。現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日光軸電軸機(jī)械軸FxFy——縱向壓電效應(yīng)

——

橫向壓電效應(yīng)

沿z軸方向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)

居里點(diǎn)573℃六角晶系結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。圖中“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子O2-+xy++---現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（1）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。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-P=qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，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，呈電中性?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--（2）當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（Fx<0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（3）當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用時(shí)，P1增大，P2、P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2

+P3)z=0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx作用時(shí)，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體受到y(tǒng)（即機(jī)械軸）方向的力Fy作用時(shí)，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體受到z軸方向受力Fz的作用時(shí)，因?yàn)榫w沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz

作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

圖6.2晶體切片上電荷極性與受力方向的關(guān)系X軸方向受壓力；（b）X軸方向受拉力；（c）Y軸方向受壓力；（d）Y軸方向受拉力

需要指出的是：上述討論均假設(shè)晶體沿X軸和Y軸方向受到了壓力。當(dāng)晶體沿X軸和Y軸方向受到拉力作用時(shí)，同樣有壓電效應(yīng)，只是電荷的極性將隨之改變。石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系如下圖所示?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（1）晶體在某個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。（2）無論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其作用力與電荷之間呈線性關(guān)系。（3）晶體具有各向異性特點(diǎn)，并不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)。結(jié)論：現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573℃時(shí)，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)：性能非常穩(wěn)定，它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。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?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日在壓電陶瓷上施加外電場(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?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日常用的壓電陶瓷材料：非鉛系列壓電陶瓷（如鈦酸鋇BaTiO3）：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）。但居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃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。是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電陶瓷外形

現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

無鉛壓電陶瓷及其換能器外形現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)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(fù)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(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)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(fù)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(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日正壓電效應(yīng)示意圖F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。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。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，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。

——正壓電效應(yīng)。

現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。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，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場(chǎng)方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日?qǐng)D5-12壓電陶瓷的變形方式y(tǒng)----++++FzFzxz（a）縱向變形（b）橫向變形（c）體積變形FyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（三）高分子壓電材料

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。優(yōu)點(diǎn)：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。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(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日其工作溫度一般低于100℃，溫度升高時(shí)，靈敏度將降低；它的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。PVDF的應(yīng)用很廣泛。利用它的拉伸或彎曲壓電效應(yīng)，可以做成揚(yáng)聲器、耳機(jī)和微音器等；利用它的聲阻抗與人體組織的聲阻抗十分接近的特性，可以做成脈搏計(jì)、血壓計(jì)、起搏器和胎心探測(cè)器等；利用它的聲阻抗與水的聲阻抗很接近的特性，可以做成探測(cè)水下物體的傳感器；利用其柔軟、靈敏度高的特性，可以做大面積的傳感器陣列器件，如人造皮膚等。

現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日其工作溫度一般低于100℃，溫度升高時(shí)，靈敏度將降低；它的機(jī)械強(qiáng)度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。PVDF的應(yīng)用很廣泛。利用它的拉伸或彎曲壓電效應(yīng)，可以做成揚(yáng)聲器、耳機(jī)和微音器等；利用它的聲阻抗與人體組織的聲阻抗十分接近的特性，可以做成脈搏計(jì)、血壓計(jì)、起搏器和胎心探測(cè)器等；利用它的聲阻抗與水的聲阻抗很接近的特性，可以做成探測(cè)水下物體的傳感器；利用其柔軟、靈敏度高的特性，可以做大面積的傳感器陣列器件，如人造皮膚等。

現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日高分子壓電薄膜及拉制現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電式腳踏報(bào)警器

現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日常用壓電材料現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日6.2壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電元件的串聯(lián)與并聯(lián)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)?，F(xiàn)在是53頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日并聯(lián)：(a)并聯(lián)++－－－+特點(diǎn)：兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上；傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)?，F(xiàn)在是54頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日串聯(lián)：(b)串聯(lián)+－－+特點(diǎn)：正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，適于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

動(dòng)態(tài)力傳感器中，兩片壓電片多采用______接法，可增大輸出電荷量；在電子打火機(jī)和煤氣灶點(diǎn)火裝置中，多片壓電片采用______接法，可使輸出電壓達(dá)上萬伏，從而產(chǎn)生電火花?，F(xiàn)在是56頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日等效電路

壓電傳感器的壓電元件受力時(shí)，在晶體的表面上分別聚集等量的正電荷和負(fù)電荷，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器，同時(shí)，它也是一個(gè)電容器。++++++++++--------------++++----qCaqCa

電荷源現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，兩極板之間呈現(xiàn)電壓，因此，壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電容器的串聯(lián)電路。CaUa

壓電元件不受外力作用時(shí)，電極表面沒有電荷產(chǎn)生，電荷源開路，電壓源短路，此時(shí)的壓電元件只等效為一個(gè)電容器。

電壓源現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日利用壓電傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它要與測(cè)量電路相連接，于是要考慮電纜電容、放大器的輸入電阻、輸入電容以及傳感器的漏電阻，實(shí)際等效電路為：qCaRaCcRiCiCaUaRaCcRiCiCcRiCiRa現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。

因?yàn)閴弘娫?shí)際上等效為一個(gè)具有電荷的電容，電容在電路中會(huì)放電，放電時(shí)間常數(shù)為RC，RC越大，放電時(shí)間越大。為了保持壓電元件上的電荷無泄漏，必須測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日測(cè)量電路

測(cè)量時(shí)要考慮的問題：（1）輸入阻抗要大。幾百M(fèi)Ω以上，從而減小測(cè)量誤差。（2）當(dāng)壓電傳感器與測(cè)量電路相連時(shí)，要考慮電纜電容、放大器輸入電阻、輸入電容、傳感器的漏電阻等?，F(xiàn)在是61頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

前置放大器的作用：放大壓電傳感器的微弱輸出信號(hào)把傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。前置放大器的形式：電壓放大器電荷放大器現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日1．電壓放大器現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓幅值：輸入電壓與作用力間的相位差：現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日時(shí)間常數(shù)現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日輸入電壓與作用力間的相位差：現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（1）當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力()時(shí)，,前置放大器的輸入電壓等于零，這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。（2）當(dāng)時(shí)，壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，適合測(cè)量高頻交變力現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日（3）靈敏度：，說明不能單靠增大電容的方法增大，因?yàn)殪`敏度會(huì)減小，所以采用輸入阻抗高的放大器。在回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，作用力的頻率越高，越能滿足的條件。（4）壓電傳感器與前置放大器之間的連接電纜不能隨意更換，因?yàn)殡娎|的長(zhǎng)度變化將使Cc變化，從而引起Usrm變化，引起測(cè)量誤差。現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日1.慣性環(huán)節(jié)頻率特性（1）傳遞函數(shù)式中

現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日慣性環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性(Bode圖)現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日2.微分環(huán)節(jié)頻率特性①傳遞函數(shù)（1）理想微分環(huán)節(jié)頻率特性②幅相頻率特性現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日③對(duì)數(shù)頻率特性現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日理想微分環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)頻率特性(Bode圖)現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日對(duì)于慣性和微分環(huán)節(jié)的頻率特性？現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日我們來分析下其幅頻特性：頻率下限現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日傳感器的低頻響應(yīng)范圍如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好?，F(xiàn)在是77頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日電壓放大器應(yīng)用限制壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，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(jiǎn)單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用?，F(xiàn)在是78頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日2.電荷放大器RfqA

電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比;電荷放大器可不考慮電纜長(zhǎng)度和低頻響應(yīng)。

電壓放大器的輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電壓放大器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，所需元件少，價(jià)格便宜，可靠性強(qiáng)；深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器電路;一般A很大現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日2.電荷放大器RfqA深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器電路;一般A很大現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日A足夠大，壓電元件的電容大小和電纜長(zhǎng)短不影響電荷放大器的輸出，這是其優(yōu)點(diǎn)之一?，F(xiàn)在是81頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日頻率足夠高時(shí)，現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日但是當(dāng)頻率很低時(shí)，現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日我們來分析下其幅頻特性：頻率下限對(duì)比電壓放大器：頻率下限僅與反饋電路參數(shù)有關(guān)，與連接電纜電容、放大器的輸入電容電阻無關(guān)。通過選擇參數(shù)，可以使得其低頻截至頻率更低?，F(xiàn)在是84頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日四通道電荷放大器外形現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日焊接式電荷放大器現(xiàn)在是86頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日其他電荷放大器外形面板式電荷放大器現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日其他電荷放大器外形（續(xù)）現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日6.3壓電傳感器的應(yīng)用

一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。

粘貼位置現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。質(zhì)量塊現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日?qǐng)?bào)警器的電路原理框圖現(xiàn)在是92頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

2．壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）

將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行,對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形?，F(xiàn)在是93頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日3.交通監(jiān)測(cè)

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。現(xiàn)在是94頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日高分子壓電電纜的應(yīng)用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

現(xiàn)在是95頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用

壓電式力傳感器

壓電式力傳感器按其用途和壓電元件的組成可分為單向力、雙向力和三向力傳感器。它可以測(cè)量幾百至幾萬牛頓的動(dòng)態(tài)力。一種用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量的單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5.15所示。壓電元件采用xy（即X0°）切型石英晶體，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換。上蓋為傳力元件，其彈性變形部分的厚度較?。ㄆ浜穸扔蓽y(cè)力大小決定），聚四氟乙烯絕緣套用來絕緣和定位。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小，重量輕（僅10g），固有頻率高（約50～60kHz），最大可測(cè)5000N的動(dòng)態(tài)力，分辨率達(dá)10-3N現(xiàn)在是96頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量

動(dòng)態(tài)力傳感器刀架車刀工件現(xiàn)在是97頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日?qǐng)D5.15單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)利用其縱向壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換。它用兩塊晶片作傳感元件，被測(cè)力通過傳力上蓋使石英晶片沿電軸方向受壓力作用，由于縱向壓電效應(yīng)使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷，兩塊晶片沿電軸方向并聯(lián)疊加，負(fù)電荷由電極輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接。兩片并聯(lián)可提高其靈敏度。2023/4/15現(xiàn)在是98頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日5.4.3壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器的種類很多，這里著重介紹常用的膜片式壓電壓力傳感器。

為了保證傳感器具有良好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和線性度，而且能在較高的環(huán)境溫度下正常工作，壓電元件采用兩片xy(X0°)切型的石英晶片。這兩片晶片在電氣上采取并聯(lián)連接。作用到膜片上的壓力通過傳力塊施加到石英晶片上，使晶片產(chǎn)生厚度變形。為了保證在壓力（尤其是高壓力）作用下，石英晶片的變形量（約零點(diǎn)幾到幾微米）不受損失，傳感器的殼體及后座（即芯體）的剛度要大?，F(xiàn)在是99頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日?qǐng)D5.19膜片式壓電壓力傳感器

從彈性波的傳遞考慮，要求通過傳力塊及導(dǎo)電片的作用力快速而無損耗地傳遞到壓電元件上，為此傳力塊及導(dǎo)電片應(yīng)采用高音速材料，如不銹鋼等?，F(xiàn)在是100頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日兩片石英晶片輸出的總電荷量q為：

q=2d11SP(5.12)式中：d11——石英晶體的壓電常數(shù)；

S——膜片的有效面積；P——壓力。這種結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：有較高的靈敏度和分辨率，而且有利于小型化。缺點(diǎn)是：壓電元件的預(yù)壓縮應(yīng)力是通過擰緊芯體施加的。這將很可能使膜片產(chǎn)生彎曲變形，造成傳感器的線性度和動(dòng)態(tài)性能變壞。另外，當(dāng)膜片受環(huán)境溫度影響而發(fā)生變形時(shí)，壓電元件的預(yù)壓縮應(yīng)力將會(huì)發(fā)生變化，給輸出帶來誤差。現(xiàn)在是101頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

為了克服壓電元件在預(yù)載過程中引起膜片的變形，采取了預(yù)緊筒加載結(jié)構(gòu)，如圖5.20所示。預(yù)緊筒是一個(gè)薄臂厚底的金屬圓筒。通過拉緊預(yù)緊筒對(duì)石英晶片組施加預(yù)壓縮應(yīng)力。這種傳感器在制造時(shí)，在加載狀態(tài)下，用電子束焊將預(yù)緊筒與芯體焊成一體。感受壓力的薄膜片是后來焊接到殼體上去的，它不會(huì)在壓電元件的預(yù)加載過程中發(fā)生變形。圖5.20預(yù)緊筒加載的壓電式現(xiàn)在是102頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日高度測(cè)量、大氣壓力、輪胎壓力壓力傳感器2023/4/15現(xiàn)在是103頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日2023/4/15現(xiàn)在是104頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日5.4.4壓電式加速度傳感器以壓縮型壓電式加速度傳感器為例來說明其工作原理。圖5.21為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。壓電元件一般由兩塊壓電片（石英晶片或壓電陶瓷片）串聯(lián)或并聯(lián)組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩壓電片之間夾一片金屬薄片，引線焊接在金屬薄片上。輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。圖5.21壓縮型壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

質(zhì)量塊放置在壓電片上，它一般采用比重較大的金屬鎢或高比重合金制成，以保證質(zhì)量且減小體積?，F(xiàn)在是105頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

當(dāng)待測(cè)物振動(dòng)時(shí)，由于傳感器固接于待測(cè)物上，因而也受到同樣的振動(dòng)。此時(shí)，慣性質(zhì)量產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的慣性力F作用在壓電片上，因而產(chǎn)生了電荷q。已知壓電陶瓷元件受外力作用后表面上產(chǎn)生的電荷q=d33F，又F=ma(m是質(zhì)量塊的質(zhì)量，在傳感器中是一個(gè)常數(shù))，所以F與所測(cè)加速度a成正比。這樣傳感器產(chǎn)生的電荷q與所測(cè)加速度a成正比，從而可以用電荷量q來表示所測(cè)振動(dòng)體的加速度a。2023/4/15現(xiàn)在是106頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日2.壓電引信 壓電引信是一種利用鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的壓電效應(yīng)制成的軍用彈丸啟爆裝置。它具有瞬發(fā)度高、安全可靠、不需要配置電源等特點(diǎn)，常應(yīng)用于破甲彈上，對(duì)提高彈丸的破甲能力起著極其重要的作用。其結(jié)構(gòu)如圖5.27所示。整個(gè)引信由壓電元件和啟爆裝置兩部分組成。壓電元件安裝在彈丸的頭部，啟爆裝置設(shè)置在彈丸的尾部，通過導(dǎo)線互相連接。圖5.27破甲彈上的壓電引信的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是107頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日?qǐng)D5.28壓電引信原理電路

壓電引信的原理電路如圖5.28所示。平時(shí)，電雷管E處于短路保險(xiǎn)安全狀態(tài)，壓電元件即使受壓，其產(chǎn)生的電荷也會(huì)通過電阻R泄放掉，不會(huì)使電雷管動(dòng)作。彈丸一旦發(fā)射后，引信啟爆裝置即解除保險(xiǎn)狀態(tài)，開關(guān)S從a處斷開與b接通，處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)相遇時(shí)，強(qiáng)有力的碰撞力使壓電元件產(chǎn)生電荷，經(jīng)導(dǎo)線傳遞給電雷管使其啟爆，并引起彈丸的爆炸，錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，形成高溫高速的金屬流將堅(jiān)硬的鋼甲穿透，起到殺傷作用?，F(xiàn)在是108頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日超聲波流量計(jì)的原理：流速不同會(huì)使超聲波在流體中傳播的速度發(fā)生變化，通過分析計(jì)算改變的超聲波信號(hào)，可以檢測(cè)到流體的流速，進(jìn)而可以得到流量值。三.超聲波流量計(jì)109現(xiàn)在是109頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日110現(xiàn)在是110頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力現(xiàn)在是111頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用ABO點(diǎn)LALB地面L

如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器，由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間差可計(jì)算出LA或LB?，F(xiàn)在是112頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)當(dāng)交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短.現(xiàn)在是113頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日

當(dāng)一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成了交變電信號(hào)。這時(shí)的聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器。

如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器?，F(xiàn)在是114頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日壓電聲傳感器在超聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器S1示波器頻率計(jì)S2l游標(biāo)卡尺

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，在空氣中激發(fā)出聲波。所以，換能器S1是聲頻信號(hào)發(fā)生器。

當(dāng)S1發(fā)出的聲波信號(hào)經(jīng)過空氣傳播到達(dá)換能器S2時(shí)，空氣振動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用在S2的壓電陶瓷片上使之出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測(cè)出該交變信號(hào)。所以，換能器S2是聲頻信號(hào)接收器?，F(xiàn)在是115頁(yè)\一共有137頁(yè)\編輯于星期日思考題與習(xí)題 1.什么叫順壓電效應(yīng)？什么叫逆壓電效應(yīng)？舉例說明在實(shí)際傳感器中是如何利用這兩種壓電效應(yīng)的。

2.如圖5.31所示的壓電式傳感器測(cè)量電