第章壓電式傳感器

第6章壓電式傳感器6.1壓電效應及壓電材料16.2壓電式傳感器的等效電路6.3壓電式傳感器的測量電路36.4壓電式傳感器的應用42概述壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。當某些材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產生，從而實現(xiàn)非電量測量。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、測量范圍廣等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。某些物質沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，同時其內部產生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應”或“順壓電效應”。6.1壓電效應及壓電材料正（順）壓電效應示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－反之，當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產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。這種電能轉化為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”或“電致伸縮效應”。圖6-1壓電效應的可逆性逆壓電效應電能機械能正壓電效應6.懇1壓電洽效應宋及壓蔑電材尼料石英外晶體賄、鈦酸酸鋇率、鋯挪鈦酸眨鉛等股材料刪是性阿能優(yōu)督良的憲壓電鞭材料疫。壓電溪材料舊可以襖分為禾兩大堡類：壓電忙晶體慨和壓懶電陶甜瓷。前心者為齡晶體閘，后鴉者為毅極化在處理限的多弄晶體吊。他們詳都具蔬有較拌大的監(jiān)壓電祖常數透，機岸械性敏能良傻好，糟時間劉穩(wěn)定飯性好憂，溫該度穩(wěn)夸定性化好等多特性利，所沫以是永較理夜想的動壓電停材料壟。6.凝1壓電情效應聞及壓謹電材鐵料壓電松材料吩的主蛾要特般性參瞇數有廳：（1）犬壓電懶常數躍：壓填電常征數是墓衡量漏材料事壓電罵效應躬強弱壟的參效數，哄它直噴接關托系到沃壓電伸輸出亦的靈謠敏度俊。（2）碑彈性討常數勤：壓均電材蹄料的棗彈性儉常數股、趕剛度沒決定護著壓她電器剝件的密固有臘頻率特和動尋態(tài)特脂性。（3）扮介電今常數晨：對心于一嫂定形航狀、但尺寸從的壓兔電元裂件，嘆其固揉有電渣容與婦介電疊常數挽有關火；而墳固有糠電容愿又影裳響著巖壓電浩傳感挪器的卷頻率宜下限粱。(4）幕機械升耦合男系數潛：在悟壓電旬效應制中，可其值研等于牛轉換輸出份能量漫（如臥電能距）與縮慧輸入寇的能溫量（蟻如機胞械能盆）之創(chuàng)比的唐平方漏根；店它國是衡細量壓堅電材觸料機駐電能抄量轉培換效泰率的象一個集重要棕參數手。（5）電澆阻:壓電濁材料齒的絕識緣電性阻將世減少孔電荷晨泄漏簡，從膝而改棕善壓掠電傳伙感器胃的低染頻特戚性。（6）御居里拌點：對壓電緩材料評開始起喪失港壓電菜特性鳴的溫旁度稱繁為居剪里點小。6.展1壓電擁效應氣及壓蹄電材遭料如圖基所示北為天邊然石葡英晶毛體，錢其結韻構形望狀為盆一個蓬六角靈形晶管柱，簡兩端閑為一牧對稱釋棱錐偉。6.說1.崖1石英攔晶體在晶共體學暑中，終可以青將其論用三交根互各相垂嚷直的億軸表交示，烏其中賠，縱顯軸Z稱為這光軸，通廢過六迎棱線載而垂丟直于芝光鈾薦的X鈾稱粥為電置軸，與X-剝X軸和Z-昏Z軸垂水直的Y-倘Y軸(垂直稱于六星棱柱先體的討棱面)稱為機械俯軸。如果勸從石遷英晶葵體中隸切下幕一個書平行臺六面擾體并尚使其鞭晶面陳分別余平行皆于Z-局Z、Y-痕Y、X-醉X軸線墳。晶食片在辣正常寸情況閥下呈沿現(xiàn)電士性。藝通常惡把沿莫電軸(X軸)方向吹的作尋用力紅產生仁的壓胞電效隨應稱境為“縱烤向壓番電效址應”，把喊沿機揭械軸(Y軸)方向槳的作午用力姓產生討的壓鈔電效姿應稱身為“橫息向壓接電效槐應”，沿花光軸(Z軸)方向壯的作收用力搶不產喜生壓化電效梅應。子沿相情對兩哄棱加解力時漸，則駐產生切向執(zhí)效應。壓糧電式灶傳感淺器主時要是矮利用縱向普壓電炭效應。石英土晶體具有即壓電隸效應散，是島由其晝內部魄分子吳結構挽決定傳的。圖6-昌2是一聾個單荷元組羞體中純構成涼石英瞧晶體丑的硅孫離子侮和氧服離子緒，在醬垂直興于z軸的xy平面城上的壯投影患，等磨效為板一個袍正六皂邊形弊排列膜。年圖中驕“＋”代井表硅棉離子Si4+，叔“－”代埋表氧凝離子O2-。石英鈔晶體保產生手壓電障效應騙的微錯觀機您理(a)xy(b)+xy++---圖6-乓2硅氧趣離子緣瑞的排寇列示撫意圖當石個英晶樣體未救受外惜力作鵲用時音，正病、負霸離子勞正好德分布粉在正陡六邊驗形的摘頂角機上，脆形成但三個肉互成12壇0°夾角獄的電迎偶極擊矩P1、P2、P3。尚如圖6-須3（a）所狗示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因為P=qL（q為電列荷量鼻，L為正負婦電荷奪之間烈的距潛離）探，此拒時正負加電荷評中心摧重合交，電反偶極計矩的矢節(jié)量和豎等于更零，膝即P1+P2+P3＝0所以稍晶體鎖表面后不產扯生電盛荷，授呈電解中性裙。在y、z方向蛛上的踢分量拔為:(P1+P2+P3)y=眉0(P1+P2+P3)z=盡0當晶登體受拘到沿x方向束的壓狹力（Fx<斑0）作兼用時奮，晶孝體沿x方向茅將產魯生收奸縮，吸正、拳負離妨子的硬相對冶位置釀隨之源發(fā)生幼變化魔，如議圖6-填3（b）所腹示。失此時眠正、肚負電西荷中張心不分再重夫合，殖電偶孝極矩P1減小歡，P2、P3增大燒，它醉們在x方向河上的連分量頁不再者等于附零:(P1+P2+P3)x>0(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--當晶命體受衡到沿x方向云的拉示力（Fx＞0）作呈用時曲，其霉變化武情況遍如圖6-澆3（c）所品示。析電偶閃極矩P1增大食，P2、P3減小諸，此寸時它餐們在x、y、z三個課方向烤上的戒分量嚼為(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x軸的嘴正向屈出現(xiàn)薄負電棄荷，慣在y、z方向吊依然屢不出庭現(xiàn)電炸荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----可見公，當畏晶體賽受到殖沿x(電軸)方向跳的力Fx作用井時，惹它在x方向徑產生悟正壓革電效立應，猴而y、z方向獲則不欠產生找壓電漸效應羅。晶體春在y軸方秒向受容力Fy作用描下的膜情況利與Fx相似僑。當Fy＞0時，酬晶體盟的形晶變與坑圖6-軌3（b）相苗似；踩當Fy＜0時，睬則與菜圖6-妄3（c）相督似。絹由此往可見顯，晶賞體在y（即頃機械脾軸）宵方向胡的力Fy作用熊下，湊在x方向蒙產生袖正壓拌電效喘應，叼在y、z方向唐同樣兵不產撐生壓磁電效蘆應。晶體筒在z軸方膛向受驢力Fz的作柔用時抱，因幼為晶執(zhí)體沿x方向輛和沿y方向芹所產緒生的羊正應征變完裳全相好同，絮所以許，正昌、負除電荷并中心灑保持伏重合侮，電勵偶極切矩矢病量和糠等于群零。滴這就禮表明茫，在鴿沿z(即光繩軸)方向水的力Fz作用燥下，責晶體角不產地生壓賢電效學應。6.扒1壓電有效應爹及壓兄電材晶料若從抽晶體懼上沿y方向我切下昂一塊劫如下海圖所雀示晶古片，斷當在原電軸臺方向錫施加殘作用機力時，在與葵電軸x垂直鮮的平奔面上餃將產桿生電低荷Qx，其轉大小爺為式中振：——糠x方向休受力索的壓阿電系揮數；——作用違力。若在欄同一柴切片穿上，我沿機圾械軸y方向繩施加幸作用嫁力，則仍在悼與x軸垂愿直的栗平面緒上產匠生電掘荷Qy，其尾大小駛為：6.柿1壓電栽效應隆及壓失電材股料式中餓：——y軸方墻向受償力的慰壓電簡系數朱，a、b——晶體忌切片張長度津和厚伯度。電荷Qx和Qy的符稼號由瓜所受暖力的犧性質醒決定盯。石英資晶體劇受力擠方向內與電書荷極追性關埋系+++++(a)Fxx-----Fx(b)x+++++-----xFy(c)+++++-----Fy(d)x+++++-----①克當晶務片受燃到x方向旋的壓蜘力作先用時脈，qx只與虧作用堆力Fx成正收比，摔而與著晶片鳳的幾彎何尺勢寸無勉關；②吐沿機膛械軸y方向逢向晶擊片施暢加壓傻力時垂，產塔生的迷電荷賓是與栽幾何陪尺寸窯有關雄的；③割石英尋晶體攝不是蒜在任器何方藥向都悉存在貨壓電響效應凈的；④蘋晶體歷在哪兔個方因向上案有正華壓電能效應帖，則徹在此蠢方向何上一雕定存病在逆打壓電控效應鋼；⑤臥無論科是正芒或逆恥壓電弟效應完，其盛作用幕力（誓或應窯變）形與電起荷（稈或電紗場強謎度）秤之間慢皆呈喘線性耐關系四。壓電隨陶瓷屢是人意工制柏造的宴多晶傘體壓細電材標料。轟材料嬸內部卷的晶靠粒有廚許多竊自發(fā)走極化都的電蓮疇，鄙它有雞一定傻的極能化方擁向，術從而獸存在姻電場崖。足在無季外電盞場作搭用時撞，電乒疇在苦晶體跡中雜結亂分填布，燦它們肌各自水的極騰化效辮應被般相互熊抵消奶，壓悄電陶增瓷內索極化助強度坡為零慈。因貫此原爆始的肅壓電奴陶瓷偶呈中毒性，欺不具舌有壓濱電性蕉質。6.融1.環(huán)2壓電雙陶瓷在陶勿瓷上靜施加瘋外電刑場時政，電滾疇的灘極化裙方向郊發(fā)生堆轉動甚，趨鍵向于爐按外繞電場連方向暢的排乏列，延從而盲使材夕料得鄉(xiāng)豐到極壯化。演外電伏場愈滴強，擊就有落更多注的電奇疇更遇完全云地轉務向外負電場便方向盲。讓末外電掌場強新度大投到使超材料貪的極僵化達到到飽享和的秧程度承，即備所有肌電疇塔極化裁方向飛都整閃齊地宰與外蹤蝶電場步方向鄙一致懂時，巖當外齊電場迫去掉鞏后，段電疇皇的極曬化方寬向基叔本沒唯變化嫌，即仰剩余冰極化絡強度網很大滴，這脂時的頌材料心才具猴有壓誤電特扁性。圖6-捎4壓電澤陶瓷狠的極彼化(a哈)未極?；?馬(b惰)電極馳化陶瓷刷片內冷的極華化強抽度總印是以海電偶虎極矩織的形并式表柜現(xiàn)出倍來，啞即在冬陶瓷扛的一喊端出他現(xiàn)正燃束縛漢電荷鄉(xiāng)豐，另挑一端匙出現(xiàn)參負束逐縛電同荷。泊由于醉束縛描電荷妥的作星用，蜻在陶鴉瓷片說的電額極面袍上吸唉附了蓋一層絹來自沃外界的自怕由電催荷。朱這些卡自由電荷訪與陶精瓷片蘭內的桌束縛電荷枯符號江相反虎而數明量相等，葵它屏松蔽和蒜抵消內了陶瓷片按內極攔化強結度對畜外界的作搶用。陶瓷片內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-----＋＋＋＋＋如果楚在陶送瓷片牢上加關一個尋與極稼化方映向平脖行的美壓力F，陶闊瓷片旱將產枝生壓綁縮形扛變。鍋片內怕的正悅、負車束縛粱電荷查之間煉的距覽離變陷小，縱極化坊強度船也變布小。狼釋放渣部分日吸附場在電佩極上摔的自兇由電盞荷，廊而出旱現(xiàn)放塊電現(xiàn)顆象。當壓廳力撤桑消后確，陶廚瓷片恢復餡原狀之，極榨化強訪度也變大沉，因法此電搬極上哀又吸附一恭部分翠自由使電荷株而出現(xiàn)充疾電現(xiàn)康象?！龎壕壢痣娦О輵璅＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向正壓電效應示意圖若在給片上沿加一賊個與蘋極化籍方向塵相同青的電偶場，愚電場捕的作叫用使則極化備強度禽增大早。陶水瓷片診內的珍正、關負束豎縛電踢荷之鋸間距敲離也前增大厲，即迅陶瓷用片沿韻極化粒方向晉產生酬伸長胞形變穩(wěn)。同擔理，全如果嚷外加淘電場偶的方兵向與鏡極化威方向相被反，研則陶蕩瓷片鼻沿極僅化方向插產生厚縮短貌形變壩。這劈燕種由于摩電效丸應而殼轉變掌為機齒械效應響，或宴者由懷電能準轉變肌為機械莫能的融現(xiàn)象弦，就早是壓沖電陶瓷文的逆壓造電效括應。圖6-11逆壓電效應示意圖Ｅ電場方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋對于嘩壓電午陶瓷溜，通規(guī)常取里它的輪極化冰方向它為z軸，湯垂直饑于z軸的守平面剃上任叢何直剝線都高可作界為x或y軸，拖這是符和石疼英晶星體的慢不同租之處活。當吹壓電踐陶瓷錘在沿禾極化蝕方向匯受力丟時，宣則在紅垂直忘于z軸的贏上、廳下兩觸表面追上將灘會出窩現(xiàn)電稍荷，魯其電引荷量Q與作醫(yī)用力Fz成正晌比，沒即式中償：d33——壓電偽陶瓷屈的壓褲電系趟數；恢F——作用衛(wèi)力。壓電石陶瓷界的壓誓電系杜數比獵石英微晶體煙的大個得多畝，所跨以采孩用壓輛電陶倦瓷制既作的鄭壓電唐式傳貝感器勺的靈鐘敏度估較高煩。極蓬化處東理后妨的壓怨電陶目瓷材事料的沸剩余臟極化埋強度詠和特秀性與旨溫度筆有關塊，它可的參戴數也隙隨時獅間變便化，舅從而拒使其叉壓電葡特性牽減弱鈔。最早什使用慨的壓備電陶皂瓷材丙料是嬸鈦酸完鋇（Ba拆Ti魚O3）?？伤桥视商济┧徜^譯和二甚氧化噸鈦按1∶后1摩爾猜分子懶比例尸混合扛后燒圍結而滴成的段。它寒的壓軋電系犯數約射為石徐英的60倍，撈但殘居里村點溫殼度只赴有11朝6℃，使紋用溫府度不符超過70兩℃，溫臨度穩(wěn)鄙定性秩和機價械強幅度都惠不如橫石英葵。壓電檢材料暖應具宋備以優(yōu)下幾許個主碰要特蔑性：①轉床換性液能。鴨要求帥具有叔較大聞的壓嗎電常仇數。②機逝械性塘能。蘿機械碎強度嶼高、朽剛度恭大。③電縫性能私。高威電阻醒率和擊大介唱電常霜數。④環(huán)向境適饅應性半。溫限度和斧濕度現(xiàn)穩(wěn)定蠟性要攪好，蛋要求怠具有虛較高棒的居秤里點據，獲竹得較彎寬的鏟工作輸溫度籠范圍配。⑤時裝間穩(wěn)劈燕定性汗。要裹求壓徒電性偶能不進隨時至間變卵化。壓電鑼材料撿介紹在幾們百攝溪氏度基的溫恨度范襲圍內雜，其丘介電瘦常數絲式和壓射電系搭數幾配乎不秒隨溫叼度而健變化飲。但憲是當榨溫度奸升高豪到57視3℃時，依石英貞晶體飲將完斑全喪杰去壓判電特蛙性，唯這就脅是它浪的居必里點糟。石英蝴晶體困的突鑒出優(yōu)醒點是濃性能睬非常晉穩(wěn)定仙，它攜有很壯大的趣機械西強度握和穩(wěn)嗎定的暴機械割性能衣。但伙石英妻材料佩價格準昂貴勝，且粘壓電智系數僻比壓巡壽電陶鴿瓷低籃得多雖。因曲此一費般僅澡用于正標準則儀器屢或要煎求較瞇高的免傳感足器中恰。（1）石英擴晶體石英懼晶體驢有天被然和桑人工殿培養(yǎng)課兩種種類型料。人下工培襯養(yǎng)的抽石英托晶體芽的物挖理和千化學調性質伶幾乎冬與天析然石浩英晶冷體沒矛有區(qū)有別，系因此牌目前霉廣泛行應用千成本手較低寸的人待造石吩英晶雨體。因為挪石英詠是一犬種各是向異鋒性晶率體，腫因此爬，按嘩不同虎方向甜切割錢的晶貪片，件其物薦理性穩(wěn)質（尺如彈息性、附壓電執(zhí)效應物、溫志度特禍性等諷）相痕差很桿大。艇在設視計石脫英傳板感器盟時，撐應根鮮據不優(yōu)同使芹用要飲求正竹確地愿選擇勾石英址片的幼切型必。壓電哄陶瓷訴主要帆有以柏下幾繳種：1.鈦酸新鋇壓餐電陶謊瓷鈦酸膏鋇（Ba早Ti至O3）是視由碳占酸鋇標（Ba委CO3）和壺二氧聰化鈦打（Ti哀O2）按1：1分子過比例蠅在高欠溫下喊合成瞎的壓他電陶掃瓷。它具梨有很喘高的豈介電角常數秩和較脂大的幣壓電扭系數屋（約鋼為石省英晶火體的60倍）杯。不爆足之鏈處是傍居里獅點溫恢度低選（12林0℃），蕩溫度以穩(wěn)定跪性和旬機械素強度處不如撕石英慕晶體報。（2）壓還電陶屯瓷2.鋯鈦括酸鉛戰(zhàn)系壓告電陶嘴瓷（PZ陣T）鋯鈦太酸鉛翅是由Pb沃Ti腰O3（鈦雞酸鉛）和Pb院Zr蜓O3（鋯希酸鉛）組賀成的偏固溶末體Pb（Zr、Ti）O3。它惹與鈦帶酸鋇揭相比些，壓奮電系桃數更掌大，妨居里信點溫晨度在30圣0℃以上額，各奸項機膽電參利數受糠溫度客影響棚小，古時間丸穩(wěn)定患性好歉。此朱外，走在鋯蛋鈦酸塘中添旁加一羨種或腐兩種去其它單微量觸元素禮（如禾鈮、鴿銻、悄錫、春錳、踐鎢等蘇）還光可以殼獲得露不同切性能蓬的PZ投T材料氧。因鄉(xiāng)豐此鋯玩鈦酸小鉛系薪壓電奇陶瓷螞是目胸前壓膠電式誕傳感夕器中襖應用膀最廣繩泛的子壓電撥材料耳。1.壓電纖半導欲體材平料壓電始半導情體材懷料有Zn羨O、Cd攔S（硫戶化鎘）涼、Cd陰Te（碲即化鎘葵）僻等，羽這種漫力敏箏器件洽具有痛靈敏撫度高終，響繩應時星間短艙等優(yōu)丘點。齒此外仇用Zn深O作為遮表面象聲波沿振蕩欣器的粥壓電沿材料更，可壺檢測寬力和且溫度趁等參搖數。（3）新畜型壓間電材菊料2.高分薯子壓驚電材胸料某些災合成屬高分夢子聚縱合物翠薄膜夾經延妥展拉嗽伸和軟電場擋極化濟后，蓄具有婆一定勉的壓令電性天能，促這類脫薄膜主稱為車高分騰子壓消電薄跑膜。亂目前姻出現(xiàn)蹄的壓湯電薄屬膜有掛聚二殺氟乙桃烯PV置F2、聚煮氟乙票烯PV酒F、聚悶氯乙?guī)㏄V古C、聚γ甲基-L谷氨狂酸脂PM承G等。吩高分攀子壓魂電材必料是抓一種劫柔軟叔的壓黎電材加料，怎不易充破碎企，可阻以大嚴量生意產和吊制成臘較大閘的面睜積。壓電宿晶片總的連絹接方盤式在實喪際應候用中撓，由零于單拘片的敏輸出鍛電荷管很小寧，因簡此，允組成據壓電尾式傳滾感器裳的晶渴片不荒止一抱片，僅常常疾將兩擾片或敵兩片旺以上害的晶踐片粘曬結在漸一起材。粘隨結的晨方法談有兩套種，讀即并殘聯(lián)和拍串聯(lián)者。并聯(lián)貢方法向兩片標壓電泰晶片謠的負鼓電荷悔集中侮在中烈間電火極上境，正更電荷距集中滋在兩心側的艙電極手上，頭傳感室器的蜘電容負量大撐、輸牽出電仿荷量翻大、豪時間劍常數寺也大孩，故除這種豆傳感臣器適抗用于有測量隨緩變澆信號笨及電渴荷量例輸出秧信號販。(a)并聯(lián)++－－－+串聯(lián)屈方法佛正電咸荷集佛中于脾上極魚板，撤負電猛荷集括中于煤下極鐵板，表傳感忍器本罩身的旗電容防量小并、響制應快桂、輸駁出電森壓大固，故選這種伙傳感連器適崗用于湯測量爹以電饒壓作搭輸出停的信想號和栗頻率萄較高鋼的信熔號。(b)串聯(lián)+－－+在上勁述兩豈種接河法中膀，并敞聯(lián)接減法輸泊出電旁荷大屆，本舟身電餐容大疲，時自間常圍數大探，適熟宜用筋在測丈量慢凈變信術號并刮且以骨電荷雖作為充輸出揀量的即場合瓣。錯而串帶聯(lián)接婦法輸砌出電況壓大框，本附身電糧容小旨，適程宜用漸于以念電壓么作輸拐出信劈燕號，顛并且曾測量飄電路蜂輸入輕阻抗遙很高積的場留合。6.律2壓電估式傳的感器平的等神效電爪路當壓芹電晶駱體承雜受應或力作雜用時盼，在房誠它的樣兩個滿極面趁上出螞現(xiàn)極配性相題反但花電量涼相等渾的電卷荷。難故可株把壓走電傳醒感器則看成免一個另電荷璃源與仁一個震電容芒并聯(lián)讀的電鍵荷發(fā)語生器食。(a)qCa其電狹容量根為：6.捐2壓電喜式傳怠感器松的等雨效電宣路當兩洋極板便聚集帥異性本電荷衰時，桑板間虜就呈越現(xiàn)出閘一定啟的電思壓，姓其大確小為因此發(fā)，壓營電傳卸感器盛還可朗以等安效為餃電壓伙源Ua和一說個電派容器Ca的串劉聯(lián)電屆路，茶如圖(b傻)。UaCa(b)圖6-敞6壓電膽傳感花器的青等效貓電路（a）句電壓枕源;（b）勝電荷技源實際設使用為時，鎖壓電隱傳感遲器通方過導器線與企測量肉儀器恒相連延接，變連接承導線縱的等引效電波容CC、前仗置放下大器商的輸濤入電仰阻Ri、輸蹤蝶入電墳容Ci對電部路的俗影響薯就必來須一配起考釣慮進棉去。叫當考搖慮了責壓電描元件它的絕儀緣電萄阻Ra以后噴，壓攪電傳污感器室完整雙的等紫效電橋路可胖表示挑成圖6-證6所示辟的電熱壓等色效電持路（a）和碌電荷芝等效水電路登（b）。保這兩姥種等次效電什路是潤完全患等效莫的。圖6-劉6壓電塘傳感底器的童完整是等效拌電路（a）授電壓娛源;（b）掘電荷儉源值得疤注意甲的是齡：利用宋壓電打式傳兔感器味測量棒靜態(tài)宜或準律靜態(tài)角量值遞時，兩必須舅采取精一定錄的措小施，鄉(xiāng)豐使電礦荷從掠壓電經晶片滅上經卡測量單電路披的漏卡失減苦小到撲足夠材小程蛇度。驚而在杏動態(tài)遭力作伙用下?lián)?，電物荷可乏以得適到不序斷補償充，攀可以急供給五測量衛(wèi)電路鍋一定殼的電粒流，積故壓抬電傳呈感器敢適宜榜作動賺態(tài)測堪量。由于潤壓電歐式傳眉感器絡的輸謀出電榨信號麻很微耽弱，蘇通常恩先把錫傳感脾器信霞號先革輸入德到高霜輸入鎮(zhèn)阻抗猛的前晴置放猴大器透中，諸經過爪阻抗凝交換地以后蛇，方潤可用與一般旦的放掙大檢期波電去路再粉將信諒號輸衰入到武指示喬儀表鬧或記統(tǒng)錄器轟中。(其中么，測檔量電箱路的跡關鍵兄在于妙高阻怖抗輸浪入的里前置幻玉放大槐器。演）6.創(chuàng)3壓電宏式傳捕感器貓的測仇量電孝路前置液放大時器的溪作用跟：一帖是將缸傳感禿器的丹高阻淘抗輸倉出變億換為忘低阻夕抗輸廣出；噴二是別放大奸傳感慮器輸姓出的畢微弱電電信撥號。前置鴉放大裕器電詳路有優(yōu)兩種揚形式芳：一綠是用敬電阻鮮反饋爪的電壓斗放大黑器，其類輸出錦電壓婦與輸仙入電返壓(即傳稀感器宋的輸花出)成正盡比；威另一桌種是從用帶息電容汁板反曲饋的電荷麗放大涌器，其滲輸出潮電壓俱與輸屆入電悲荷成索正比役。由雖于電壯荷放芝大器兩電路患的電同纜長區(qū)度變汁化的票影響感不大名，幾寧乎可送以忽媽略不丙計，凈故而擾電荷賞放大炸器應淋用日虜益廣彼泛。圖6-符7壓電霧傳感垮器接發(fā)放大造器的壤等效軋電路（a）猜放大陸器電寧路;（b）菜等效壤電路1.電壓兼放大武器（途阻抗每變換嬸器）在上術圖（b）中，俱電阻R=RaRi/(Ra+Ri),電容C=Cc+Ci，而ua=q/競Ca，若喪壓電鬧元件丸受正課弦力f=Fmsi以nωt的作鼠用，浩則其河電壓油為（6-諸6）式中勁：Um——壓電遠元件送輸出啊電壓姻幅值束，Um=dFm/Ca；罷d——壓電宿系數痛。由此謝可得編放大繁器輸充入端送電壓Ui，其災復數驢形式貨為(6墳-7豎)Ui的幅值Uim為.輸入傘電壓鍵和作求用力衫之間啟相位始差為(6鴨-8裝)(6跳-9理)在理爹想情眉況下拾，傳土感器階的Ra電阻醋值與敵前置脅放大樣器輸席入電銹阻Ri都為茫無限端大，臥即ω(Ca+Cc+Ci)R>茂>1，那怪么由尿式（6-問8）可屑知，羊理想單情況燙下輸彈入電圓壓幅今值Uim為上式遵表明鋒前置亂放大鐵器輸括入電均壓Uim與頻波率無炒關，哀一般或在ω/另ω0>3時，昂就可桂以認本為Uim與ω無關梢，ω0表示漲測量材電路寄時間貌常數顫之倒鵲數，牲即(6軌-1章0)這表晌明壓柴電傳襲感器炒有很徑好的告高頻燃響應莊，但釋是，纏當作乞用于自壓電至元件同的力濕為靜逆態(tài)力捐（ω=0）時幅，啞前置侄放大稻器的會輸出著電壓藏等于爐零，施因社為電渡荷會賺通過迅放大彩器輸寶入電值阻和阿傳感尊器本焦身漏舒電阻萌漏掉噴，方所以崇壓電鉆傳感拼器不僵能用忌于靜制態(tài)力季的測跡量。當ω(Ca+Cc+Ci)R>潔>1時，暫放大坊器輸磁入電順壓Uim為：式中Cc為連幅接電喚纜電首容，栽當電邪纜長踐度改姐變時伴，Cc也將含改變蓋，因恰而Uim也隨礙之變騰化。標因此泛，壓無電傳母感器玻與前礎置放炎大器佳之間總連接揮電纜紅不能型隨意羊更換功，貓否則術將引層入測群量誤價差。圖6-精8電荷部放大胳器等閉效電愉路2.電荷重放大估器電荷霜放大王器常飯作為呀壓電碎傳感盾器的挨輸入顫電路杠，由挪一個飯反饋著電容CF和高援增益葵運算墓放大佛器構智成?；栌捎诔赀\算發(fā)放大青器輸喘入阻工抗極單高，毫放感大器家輸入籠端幾緞乎沒匆有分處流，呼故可煎略去Ra和Ri并聯(lián)澡電阻駁。式中寄：Uo——放大華器輸末出電幟壓；盤Ucf——反饋程電容蒜兩端送電壓彎。由運外算放勻大器超基本藝特性達，輝可求虎出電紋荷放序大器際的輸摧出電聰壓通常A=1塵04~1精08，因阻此,當滿努足(1粱+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時，掙上式防可表下示為句：（6-衡16）（6-刺14）由上參式知滲，電睛荷放戀大器看的輸腥出電扛壓Uo只取橡決于囑輸入握電荷出與反珠饋電躺容CF，與曬電纜妥電容Cc無關杜，且腸與q成正愈比，因此貢，采革用電敲荷放胖大器電時，篇即使幸連接翅電纜柜長度妙在百避米以廟上，倉其靈冠敏度幅也無粱明顯袍變化伶，這是監(jiān)電荷昌放大男器的兵最大晶特點錘。吵在實禾際電聾路中靠，CF的容劑量做割成可支選擇胞的，粘范圍庭一般葵為10背0~耀104pF。壓電器式傳閣感器車在測掏量低邪壓力載時線歌性度潮不好壺，主亡要是將傳感鍋器受會力系景統(tǒng)中桑力傳豬遞系蕩數非飄線性熊所致施。仇為此鈔，熔在力貼傳遞尋系統(tǒng)矛中加片入預輝加力授，稱執(zhí)預載奮。這蛇除了拐消除名低壓渠力使真用中潔的非盛線性裕外，駐還可畝以消數除傳矩感器脈內外奶接觸催表面費的間錫隙，躁提高框剛度足。灑特別搞是，藍它只呢有在缸加預桃載后冠才能種用壓無電傳爛感器芒測量弟拉力棟和拉調、壓鏈交變拜力及鐮剪力斗和扭句矩。如圖灑是壓御電式細單向胡測力戴傳感虎器的佳結構征圖，屯主要喉由石傘英晶蔬片、夸絕緣庸套、親電極掀、上爛蓋及班基座市等組間成。壓力誓式單兩向測畝力傳符感器族結構蔑圖6.檔4壓電奇式傳墻感器超的應運用傳感筐器上到蓋為灣傳力際元件襖，它惹的外才緣壁今厚為0.杜1~其0.共6m奸m，外捕力作放用使澡它產赴生彈踐性變頁形，搭將力自傳遞繞到石葵英晶臥片上株。石案英晶歐片采輝用xy切型偶，吸利用懇其縱祝向壓棉電效透應，濱通滲過d11實現(xiàn)濃力—電轉竊換。下圖趴是一驢種壓臘電式優(yōu)加速雖度傳拌感器咽的結排構圖肌。壓電掉式加歇速度踐傳感擦器結凳構圖壓電況式加畝速度待傳感跨器當加供速度扇傳感駱器和執(zhí)被測獸物一孩起受拒到沖諸擊振擁動時嫌，壓渠電元惰件受腎質量婆塊慣仇性力淹的作耕用，轎根據堵牛頓決第二魔定律甩，此屑慣性挑力是某加速促度的銅函數攔，頸即F=款ma式中探：F——質量法塊產納生的些慣性矮力；m——質量坑塊的提質量古；炭a——加速般度。與加嚼速度a成正穗比。變因此孩，測施得加門速度積傳感浮器輸粉出的偽電荷簽便可氣知加門速度娃的大責小。此時光慣性極力F作用憲于壓無電元構件上升，因烏而產耗生電最荷q，當城傳感奴器選袋定后范，m為常污數，旨則躁傳感隊器輸裂出電教荷為壓電止式壓喚力傳當感器壓電跌式測命壓傳拆感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導電片p當膜畢片受拌到壓憑力F作用榮后，趣在壓戀電晶粗片表均面上傾產生程電荷鵲。在激一個扣壓電墨片上縣所產科生的蔥電荷q為即：主壓電挎式壓室力傳寇感器蛙的輸毒出電筒荷q與輸占入壓肝強P成正盡比。壓電蔽式聲知傳感障器壓電照陶瓷會換能磚器結椅構圖當交汁變信筍號加蹤蝶在壓妥電陶奶瓷片仆兩端泰面時祝，由態(tài)于壓廉電陶仆瓷的瞞逆壓容電效等應，賽陶瓷鍵片會曬在電丹極方捧向產甘生周沈期性狡的伸子長和水縮短券。當一達定頻本率的火聲頻妻信號愛加在制換能征器上臘時，其換能穩(wěn)器上聚的壓融電陶旁瓷片汪受到姨外力朵作用烏而產夫生壓委縮變孫形，狐由于啦壓電碑陶瓷陣的正游壓電見效應索，壓撥電陶酒瓷上孤將出識現(xiàn)充姑、放螺電現(xiàn)代象，胸即將引聲頻裙信號腹轉換獻成了辛交變厚電信湯號。慢這時劉的聲卷傳感忽器就升是聲燙頻信葵號接納收器藍。如果急換能幻玉器中刊壓電轎陶瓷絮的振逃蕩頻童率在喪超聲群波范證圍，欲則其蜜發(fā)射枯或接剖收的畫聲頻握信號傻即為速超聲擁波，安這樣臉的換早能器鑼稱為壓電姥超聲陵換能叼器。壓電唉聲傳榨感器遲在超怪聲速藥測量址實驗瘦中的宜應用超聲尾速測斃量實餡驗裝寬置當信申號發(fā)障生器碑產生模的正害弦交禮流信室號加脆在壓情電陶洲瓷片喝兩端族面時碌，壓非電陶擔瓷片擇將產課生機喬械振值動，纖在空謎氣中泛激發(fā)喉出聲枯波。鑼所以早，換手能器S1是聲徐頻信扭號發(fā)惰生器。當S1發(fā)出敞的聲假波信喂號經艷過空炎氣傳欺播到胃達換臂能器S2時，邀空氣午振動慣產生耍的壓麥力作頃用在S2的壓攜電陶悲瓷片脫上使碑之出順現(xiàn)充榴、放賣電現(xiàn)淘象，桐在示桌波器留上就亞能檢哲測出綱該交撥變信競號。舅所以封，換升能器S2是聲逢頻信話號接趟收器。20耐23肥/6畫/2菜779高分餅子壓海電材鐘料的光應用1.玻璃輛打碎扣報警疤裝置將高調分子贈壓電嚴測振景薄膜山粘貼擾在玻浙璃上城，可舟以感慎受到茄玻璃惜破碎和時會杰發(fā)出旦的振猶動，耗并將斬電壓訂信號櫻傳送牧給集躬中報鐮警系模統(tǒng)。粘貼詳位置20清23鋪/6滔/2接780高分媽子壓縱電材島料制乏作的椅玻璃齊打碎靈傳感歡器質量初塊