壓電式傳感器-(1)資料

概述壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。第一頁，共94頁。某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。5.1壓電效應(yīng)及壓電材料第二頁，共94頁。第三頁，共94頁。第四頁，共94頁。第五頁，共94頁。第六頁，共94頁。正（順）壓電效應(yīng)示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－第七頁，共94頁。反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。圖5-1壓電效應(yīng)的可逆性逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)第八頁，共94頁。5.1壓電效應(yīng)及壓電材料石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。第九頁，共94頁。5.1壓電效應(yīng)及壓電材料

壓電材料的主要特性參數(shù)有：（1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：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(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對(duì)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(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。(4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換第十頁，共94頁。輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）電阻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。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。5.1壓電效應(yīng)及壓電材料第十一頁，共94頁。如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。5.1.1石英晶體第十二頁，共94頁。在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸

(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機(jī)械軸。第十三頁，共94頁。如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。第十四頁，共94頁。第十五頁，共94頁。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５-2是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子O2-。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理第十六頁，共94頁。圖5-2硅氧離子的排列示意圖(a)xy(b)+xy++---第十七頁，共94頁。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。如圖5-3（a）所示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因?yàn)镻=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。第十八頁，共94頁。第十九頁，共94頁。在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0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，如圖5-3（b）所示。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

(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--第二十頁，共94頁。第二十一頁，共94頁。當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖5-3（c）所示。電偶極矩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+++--+----第二十二頁，共94頁。第二十三頁，共94頁?？梢?，當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx

作用時(shí)，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y軸方向受力Fy作用下的情況與Fx

相似。當(dāng)Fy

＞0時(shí)，晶體的形變與圖5-3（b）相似；當(dāng)Fy

＜0時(shí)，則與圖5-3（c）相似。由此可見，晶體在y（即機(jī)械軸）方向的力

Fy作用下，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)。第二十四頁，共94頁。晶體在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，電偶極矩矢量和等于零。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)。第二十五頁，共94頁。5.1壓電效應(yīng)及壓電材料若從晶體上沿y方向切下一塊如下圖所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力

時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx，其大小為式中：——x方向受力的壓電系數(shù)；——作用力。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：第二十六頁，共94頁。5.1壓電效應(yīng)及壓電材料式中：——y軸方向受力的壓電系數(shù)，

a、b——晶體切片長度和厚度。電荷Qx和Qy的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。第二十七頁，共94頁。石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系+++++(a)Fxx-----Fx(b)x+++++-----xFy(c)+++++-----Fy(d)x+++++-----第二十八頁，共94頁。①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)；②沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；④晶體在哪個(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)；⑤無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。第二十九頁，共94頁。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時(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，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)。5.1.2壓電陶瓷第三十頁，共94頁。在陶瓷上施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(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方向一致時(shí)，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本沒變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。第三十一頁，共94頁。圖5-4壓電陶瓷的極化(a)未極化;(b)電極化第三十二頁，共94頁。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-----＋＋＋＋＋第三十三頁，共94頁。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)－F＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向正壓電效應(yīng)示意圖第三十四頁，共94頁。第三十五頁，共94頁。若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，電場的作用使極化強(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)生伸長形變。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(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)。圖5-11逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋第三十六頁，共94頁。第三十七頁，共94頁。對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，在是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，其電荷量Q與作用力Fz成正比，即式中：

d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。第三十八頁，共94頁。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。第三十九頁，共94頁。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按1∶1摩爾分子比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。第四十頁，共94頁。壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。壓電材料介紹第四十一頁，共94頁。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)是性能非常穩(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。（1）

石英晶體第四十二頁，共94頁。石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。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。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。第四十三頁，共94頁。壓電陶瓷主要有以下幾種：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。（2）壓電陶瓷第四十四頁，共94頁。2.鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3（鈦酸鉛

）和PbZrO3（鋯酸鉛

）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。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電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。第四十五頁，共94頁。1.壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS（硫化鎘

）、CdTe（碲化鎘）等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)。（3）新型壓電材料第四十六頁，共94頁。2.高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。第四十七頁，共94頁。壓電晶片的連接方式在實(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)。第四十八頁，共94頁。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(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)。(a)并聯(lián)++－－－+第四十九頁，共94頁。串聯(lián)方法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，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。(b)串聯(lián)+－－+第五十頁，共94頁。第五十一頁，共94頁。在上述兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場合。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(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場合。5.2壓電式傳感器的等效電路第五十二頁，共94頁。當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。(a)qCa其電容量為：5.2壓電式傳感器的等效電路第五十三頁，共94頁。當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)。UaCa(b)第五十四頁，共94頁。圖5-5壓電傳感器的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源第五十五頁，共94頁。實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量儀器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖5-6所示的電壓等效電路（a）和電荷等效電路（b）。這兩種等效電路是完全等效的。第五十六頁，共94頁。圖5-6壓電傳感器的完整等效電路（a）電壓源;（b）電荷源第五十七頁，共94頁。值得注意的是：利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。第五十八頁，共94頁。由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）5.3壓電式傳感器的測(cè)量電路第五十九頁，共94頁。前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。第六十頁，共94頁。圖5-7壓電傳感器接放大器的等效電路（a）放大器電路;（b）等效電路1.電壓放大器（阻抗變換器）第六十一頁，共94頁。在上圖（b）中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電壓為（5-6）式中：

Um——壓電元件輸出電壓幅值，

Um=dFm/Ca；

d——壓電系數(shù)。第六十二頁，共94頁。由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為

(5-7)Ui的幅值Uim為.輸入電壓和作用力之間相位差為(5-8)(5-9)第六十三頁，共94頁。在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，那么由式（5-8）可知，理想情況下輸入電壓幅值Uim為上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在ω/ω0>3時(shí)，就可以認(rèn)為Uim與ω?zé)o關(guān)，ω0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即(5-10)第六十四頁，共94頁。這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（ω=0）時(shí)，前置放大器的輸出電壓等于零，因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。第六十五頁，共94頁。當(dāng)ω(Ca+Cc+Ci)R>>1時(shí)，放大器輸入電壓Uim如式（5-10）所示，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量誤差。第六十六頁，共94頁。5.3壓電式傳感器的測(cè)量電路下圖給出了一個(gè)電壓放大器的具體電路。它具有很高的輸入阻抗(1000MΩ)和很低的輸出阻抗(<100?)，因此使用該阻抗變換器可將高阻抗的壓電傳感器與一般放大器匹配。電壓放大器第六十七頁，共94頁。5.3壓電式傳感器的測(cè)量電路BG1為MOS場效應(yīng)管，做阻抗變換，R3≥100M?；BG2管對(duì)輸入端形成負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗。R4既是BG1的源極接地電阻，也是BG2的負(fù)載電阻，R4上的交變電壓通過C2反饋到場效應(yīng)管BG1的輸入端，保證較高的交流輸入阻抗。由BG1構(gòu)成的輸入極，其輸入阻抗為:引進(jìn)BG2，構(gòu)成第二級(jí)對(duì)第一級(jí)負(fù)反饋后，其輸入阻抗為:式中Au是BG1源極輸出器的電壓增益，其值接近1。第六十八頁，共94頁。5.3壓電式傳感器的測(cè)量電路所以

可以提高到幾百到幾千兆歐。由BG1所構(gòu)成的源極輸出器，其輸出阻抗為式中

為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)。電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(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。電纜長，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。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大電路可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。第六十九頁，共94頁。圖5-8電荷放大器等效電路2.電荷放大器第七十頁，共94頁。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。式中：Uo——放大器輸出電壓；

Ucf——反饋電容兩端電壓。第七十一頁，共94頁。由運(yùn)算放大器基本特性，可求出電荷放大器的輸出電壓通常A=104~108，因此,當(dāng)滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為：（5-15）（5-14）第七十二頁，共94頁。由上式知，電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與反饋電容CF，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。在實(shí)際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為100~104pF。第七十三頁，共94頁。壓電式傳感器在測(cè)量低壓力時(shí)線性度不好，主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)非線性所致。為此，在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。這除了消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。第七十四頁，共94頁。5.4壓電式傳感器的應(yīng)用壓電元件是一類典型的力敏感元件，可用來測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換成力的多種物理量。5.4.1微振動(dòng)檢測(cè)儀PV-96壓電加速度傳感器可用來檢測(cè)微振動(dòng)，其電路原理圖如圖5-9所示。該電路由電荷放大器和電壓調(diào)整放大器組成。圖5-9微振動(dòng)檢測(cè)電路第七十五頁，共94頁。5.4壓電式傳感器的應(yīng)用第一級(jí)是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容C1和反饋電阻R1決定。低頻截止頻率為0.053Hz。RF是過載保護(hù)電阻。第二級(jí)為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器W1可使其輸出約為50mV/gal(1gal=1cm/)。在低頻檢測(cè)時(shí)，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大,該電路的噪聲電平主要由電荷放大器的噪聲決定，為了降低噪聲，最有效的方法是減小電荷放大器的反饋電容。但是當(dāng)時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，由于C1和R1呈反比關(guān)系，考慮到穩(wěn)定性，則反饋電容C1的減小應(yīng)適當(dāng)。第七十六頁，共94頁。5.4壓電式傳感器的應(yīng)用5.4.2基于PVDF壓電膜傳感器的脈象儀由于PDVF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜具有變力響應(yīng)靈敏度高、柔韌易與制備，可緊貼皮膚等特點(diǎn)，因此可用人手指端大小的壓電膜制成可感應(yīng)人體脈搏壓力波變化的脈搏傳感器。脈象儀的硬件組成如圖5-10所示：壓電薄膜線性電荷放大電路帶通濾波器和50Hz工頻陷波器電壓放大器處理器A/D圖5-10脈象儀的硬件組成第七十七頁，共94頁。5.4壓電式傳感器的應(yīng)用因壓電薄膜內(nèi)阻很高，且脈搏信號(hào)微弱，設(shè)計(jì)其前置電荷放大器有兩個(gè)作用:●一是與換能器阻抗匹配，把高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?；●二是將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大。為提高測(cè)量的精度和靈敏度，前置放大電路采用線性修正的電荷放大電路，可獲得較低的下限頻率，消除電纜的分布電容對(duì)靈敏度的影響，使設(shè)計(jì)的傳感器體積小型化。在一般的電荷放大器設(shè)計(jì)中，時(shí)間常數(shù)要求很大(一般在

以上)，在小型的PVDF脈搏傳感器中，很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉答侂娙莶荒苓x得太小。第七十八頁，共94頁。5.4壓電式傳感器的應(yīng)用在時(shí)間常數(shù)不足夠大的情況下(小于100s)，電荷放大器的輸出電壓跟換能器受到的壓力成非線性關(guān)系，因此需要對(duì)電荷放大器進(jìn)行非線性修正。由于脈搏信號(hào)頻率很低，是微弱信號(hào)，且干擾信號(hào)較多，濾波電路在設(shè)計(jì)中，非常重要。運(yùn)算放大器應(yīng)盡量選擇低噪聲、低溫漂的器件。根據(jù)脈搏信號(hào)的特點(diǎn)，以及考慮高頻噪聲及溫度效應(yīng)噪聲的影響，帶通濾波器的通帶頻率寬度應(yīng)選擇在0.5Hz到100Hz之間。第七十九頁，共94頁。如圖是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖第八十頁，共94頁。傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1~0.5mm，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。第八十一頁，共94頁。下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈