醫(yī)用傳感器_6

1、第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 等效電路及測量電路等效電路及測量電路 1.2 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應及材料壓電效應及材料 6.1 6.2 6.3 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應壓電效應 某些電介質(zhì)某些電介質(zhì), , 當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾儺斞刂欢ǚ较驅(qū)ζ涫┝Χ顾?形時形時, , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負電荷中心其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負電荷中心 相對位移）相對位移）, , 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相 反的電荷反的電荷, , 當外力去掉后當外力去掉后, , 其又重新恢復到不帶電其又

2、重新恢復到不帶電 狀態(tài)，狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱壓電效應壓電效應。當作用力方向改變。當作用力方向改變 時時, , 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 這種機械能轉(zhuǎn)換為這種機械能轉(zhuǎn)換為 電能的現(xiàn)象電能的現(xiàn)象, , 稱為稱為“正壓電效應正壓電效應” ” 。 v壓電效應壓電效應 v壓電效應-定義 v某些電介質(zhì)（晶體），當沿著一定方向?qū)?其施力而使它變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電 荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應。 壓電效應壓電效應-分類分類 正壓電效應正壓電效應：當作用力當作用力方向改變方向改變時，電荷的極性也隨之時，電

3、荷的極性也隨之 改變，常把這種改變，常把這種機械能機械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電能電能的現(xiàn)象的現(xiàn)象 稱正壓電效應稱正壓電效應（或（或順壓電效應順壓電效應）。）。 逆壓電效應：逆壓電效應：當在電介質(zhì)極化方向上施加當在電介質(zhì)極化方向上施加電場，電場，這些這些 電介質(zhì)也會在產(chǎn)生電介質(zhì)也會在產(chǎn)生幾何變形幾何變形，當外加電場，當外加電場 撤去撤去時，這些變形也隨之時，這些變形也隨之消失消失，這種將，這種將電電 能能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)化成機械能機械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應（或的現(xiàn)象稱逆壓電效應（或 稱電致伸縮效應）。稱電致伸縮效應）。 壓電效應具有壓電效應具有可逆性，可逆性， 利用這一特性可以實現(xiàn)利用這一特性可以實現(xiàn)機械能機械能

4、和和電能電能 的相互轉(zhuǎn)換。的相互轉(zhuǎn)換。 壓電效應壓電效應-特性特性 壓電元件壓電元件 機械能機械能 電能電能 逆壓電效應逆壓電效應 正壓電效應正壓電效應 壓電晶體：如石英等；壓電晶體：如石英等； 壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷：如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； 新型壓電材料：壓電半導體新型壓電材料：壓電半導體( (如硫化鋅、碲化鎘等如硫化鋅、碲化鎘等) ) 高分子壓電材料。高分子壓電材料。 自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應, 但但壓電效應十分微弱壓電效應十分微弱 壓電材料壓電材料-分類分類 分類分類 具有壓電效應的材料稱為具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料

5、。 石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何外形，其形石英是單晶體，具有規(guī)則的幾何外形，其形 狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。狀為六角形晶柱，兩端呈六棱錐形狀。 二、石英晶體二、石英晶體 vZ Z軸軸 ( (光軸光軸），是晶體的對稱軸，用光學方法確定，是晶體的對稱軸，用光學方法確定， 作為基準軸。作為基準軸。 vX X軸軸 ( (電軸電軸) )，經(jīng)過正六棱柱相對的兩個棱線，且垂直經(jīng)過正六棱柱相對的兩個棱線，且垂直 于光軸，該軸壓電效應最顯著。于光軸，該軸壓電效應最顯著。 vY Y軸軸 ( (機械軸機械軸) )，垂直于兩個相對的表面，在此軸上加垂直于兩個相對的表面，在此軸上加 力產(chǎn)生的變形最大。力產(chǎn)生的變

6、形最大。 石英晶體壓電效應機理石英晶體壓電效應機理 石英晶體：石英晶體：SiO2 代表硅離子代表硅離子 Si4+ “ ” 代表硅離子代表硅離子 2O2_ “ ” 當石英晶體沒有受到外力當石英晶體沒有受到外力 作用時：作用時： 123 0P PP 正負電荷中心重合正負電荷中心重合 晶體表面不產(chǎn)生電荷，晶體表面不產(chǎn)生電荷， 呈電中性。呈電中性。 1.1.當石英晶體在當石英晶體在X X軸方向上受到壓力時：軸方向上受到壓力時： 結果：結果： 123 ()0 x P PP 123 ()0 y P PP A面上呈現(xiàn)負電荷面上呈現(xiàn)負電荷 B面上呈現(xiàn)正電荷面上呈現(xiàn)正電荷 這種沿這種沿X軸施加力，而在垂直于軸施

7、加力，而在垂直于 X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象， 就是就是“縱向壓電效應縱向壓電效應”。 123 ()0 z P PP 2.2.當石英晶體在當石英晶體在Y Y軸方向上受到壓力時：軸方向上受到壓力時： 結果：結果： 123 ()0 x P PP 123 ()0 y P PP A面上呈現(xiàn)正電荷面上呈現(xiàn)正電荷 B面上呈現(xiàn)負電荷面上呈現(xiàn)負電荷 這種沿這種沿Y軸施加力，而在垂直于軸施加力，而在垂直于 X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象， 就是就是“橫向壓電效應橫向壓電效應”。 123 ()0 z P PP 3.3.當石英晶體在當石英晶體在Z Z軸方向上受到壓力時

8、：軸方向上受到壓力時： 123 ()0 x P PP 123 ()0 y P PP 123 ()0 z P PP 正負電荷始終中心重合，所以晶體表面無電荷產(chǎn)生。正負電荷始終中心重合，所以晶體表面無電荷產(chǎn)生。 沿沿Z軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應。軸方向施加外力，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應。 縱向壓電效應縱向壓電效應 橫向壓電效應橫向壓電效應 表面電荷的計算問題表面電荷的計算問題 有一石英晶體，其長度為有一石英晶體，其長度為5mm，寬度為，寬度為4mm，厚度，厚度 為為10mm，當受到壓力，當受到壓力P=10MPa作用時，求在縱向壓作用時，求在縱向壓 電效應的壓縮力作用下產(chǎn)生的電荷量。（電效

9、應的壓縮力作用下產(chǎn)生的電荷量。（d=2.31PC/N） z c z c u當沿當沿X X軸軸施加作用力時，晶片產(chǎn)生厚度變形，并在與施加作用力時，晶片產(chǎn)生厚度變形，并在與x 軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且電荷密度電荷密度與與應力應力成正比：成正比： 11xx QdFx軸軸方向受力的壓電系數(shù)；方向受力的壓電系數(shù)； 11 d z c u沿沿y軸軸施加作用力時，晶片產(chǎn)生長度變形，并在與施加作用力時，晶片產(chǎn)生長度變形，并在與x軸軸 垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且垂直的平面上產(chǎn)生電荷，且電荷密度電荷密度與與應力應力成正比：成正比： 12yy a QdF b y軸軸方向受力的壓電系數(shù)；方向受

10、力的壓電系數(shù)； 12 d 1211 dd xx Fdq 11 yyy F b a dF b a dq 1112 結論：結論： 當晶片受到當晶片受到x方向的壓力作用時，方向的壓力作用時，qx只與作用力只與作用力Fx 成成正比正比，而與晶片的，而與晶片的尺寸無關尺寸無關； 沿機械軸沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷與方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷與 幾何尺寸有關幾何尺寸有關； 石英晶體石英晶體不是在任何方向不是在任何方向都存在壓電效應的；都存在壓電效應的； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上 一定存在一定存在逆壓電效應逆壓電效應； 無論是

11、正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與 電荷之間皆呈電荷之間皆呈線性關系線性關系。 v壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓 電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生 產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷 材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZTPZT）及非鉛系壓電陶瓷）及非鉛系壓電陶瓷 （如（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。 壓電陶瓷產(chǎn)品壓

12、電陶瓷產(chǎn)品 v壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷：壓電陶瓷：屬于鐵電體一類的物質(zhì)屬于鐵電體一類的物質(zhì), ,是人工制造的多晶體壓是人工制造的多晶體壓 電材料電材料, , 具有類似鐵磁材料磁疇結構的具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇電疇結構結構 電疇電疇: 分子自發(fā)形成的區(qū)域分子自發(fā)形成的區(qū)域, ,有一定的極化方向有一定的極化方向, ,從而存電場從而存電場 未加電場未加電場 原始的壓電陶瓷內(nèi)原始的壓電陶瓷內(nèi)呈中性呈中性 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。 在無電場作用時在無電場作用時，電疇在晶體中，電疇在晶體中雜亂分布雜亂分布 它們的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)它們的極化效應被相互抵消，壓

13、電陶瓷內(nèi)極化強度為零。極化強度為零。 壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向 同性不具有壓電性。在同性不具有壓電性。在無外電場無外電場作用時，電疇在晶體中作用時，電疇在晶體中 雜亂分布，它們各自的極化效應被雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消相互抵消，壓電陶瓷，壓電陶瓷 內(nèi)內(nèi)極化強度為極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈零。因此原始的壓電陶瓷呈中性中性，不具有不具有 壓電性質(zhì)壓電性質(zhì)。 伸長 直流電橋 剩余伸長 剩 余 極 化 a)極化前 b)極化 c)極化后 加電場加電場 施加外電場時，電疇的施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向

14、極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向 外電場方向排列外電場方向排列。從而使材料得到極化。外電場愈強，。從而使材料得到極化。外電場愈強， 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。 當外電場強度大到使材料的極化達到當外電場強度大到使材料的極化達到飽和程度飽和程度，即，即 極化方向都整齊地極化方向都整齊地與外電場方向一致與外電場方向一致，當外電場去掉后當外電場去掉后 電疇的極化方向基本不變電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大。，即剩余極化強度很大。 壓電陶瓷極化后壓電陶瓷極化后 具有壓電特性具有壓電特性 未極化時是非壓電體未極化時是非壓電體 (a)極化處理前極化處理前 剩

15、余極化強度剩余極化強度 剩余伸長剩余伸長 (c)極化處理后極化處理后 直流電場直流電場E 電場作用下的伸長電場作用下的伸長 (b)極化處理中極化處理中 由于經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷其內(nèi)部極化強度不為由于經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷其內(nèi)部極化強度不為0 0 ，即在陶瓷的，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束另一端出現(xiàn)負束 縛電荷縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上。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吸附了一層來自外界的自由電荷自由電荷。這些自由電荷與陶。這些自由電荷與陶 瓷片內(nèi)的束縛電荷瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等符號相反而數(shù)量相等。所

16、以整體上。所以整體上 表現(xiàn)為表現(xiàn)為電中性電中性。 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 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，如圖， 陶瓷片將產(chǎn)生陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變壓縮形變，片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的，片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距距 離變小離變小，極化強度也變小極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自。因此，原來吸附在電極上的自 由電荷，有一部分被由電荷，有一部分被釋放釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。 當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，片內(nèi)的正、負電荷之當壓力撤消后，陶瓷片恢復原

17、狀，片內(nèi)的正、負電荷之 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 間的間的距離變大距離變大，極化強度也變，極化強度也變 大，因此電極上又大，因此電極上又吸附吸附一部分一部分 自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 這種由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)這種由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn) 象，就是象，就是正壓電效應正壓電效應。 33 qd F= d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)壓電陶瓷的壓電系數(shù) F作用力作用力 晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時，晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時， 引起剩余極化強度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，引起剩余極化強度變化，

18、在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量電荷量 的大小與外力成正比關系：的大小與外力成正比關系： d33 d11、d12 同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，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 使使極化強度增大極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距距 離也增大離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變伸長形變。 同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿同理，如果外加電場的方向與極化方向相

19、反，則陶瓷片沿 極化方向產(chǎn)生極化方向產(chǎn)生縮短形變縮短形變。 極化 方向 電場方向 這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能 的現(xiàn)象，就是的現(xiàn)象，就是逆壓電效應逆壓電效應。 種類種類： n壓電單晶體壓電單晶體，如石英等；，如石英等； n壓電陶瓷壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等； n壓電半導體壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等。，如硫化鋅、碲化鎘等。 對壓電材料特性要求：對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。要求具有較大壓電常數(shù)。 機械性能機械性能。希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線。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

20、振動頻率。性范圍和高的固有振動頻率。 電性能電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布。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。電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應性強環(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。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。里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。要求壓電性能不隨時間變化。 v壓電材料壓電材料 一、一、等效電路等效電路 壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電

21、 荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當于一個以壓電材荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當于一個以壓電材 料為電介質(zhì)的料為電介質(zhì)的電容器電容器，其電容量為，其電容量為 式中：式中： 0為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)； 為壓電材料的相對介電常數(shù)；為壓電材料的相對介電常數(shù)； d 為壓電元件的厚度；為壓電元件的厚度； A 為壓電元件極板面積。為壓電元件極板面積。 d A Ca 0 第二節(jié)第二節(jié) 等效電路和測量電路等效電路和測量電路 當壓電晶體在當壓電晶體在外力外力作用下，其兩個極面上將出現(xiàn)作用下，其兩個極面上將出現(xiàn)極性相反極性相反 電量相等的電荷電量相等的電荷壓電傳感器可以看作壓電傳感器可以看作電

22、荷發(fā)生器電荷發(fā)生器, ,圖圖(a) 同時同時, ,它也是一個它也是一個電容器電容器, , 晶體上聚集正、負電荷的兩表面晶體上聚集正、負電荷的兩表面 相當于電容的兩個相當于電容的兩個極板極板, , 極板間物質(zhì)等效于一種極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)介質(zhì), ,圖圖(b) q 電極電極 壓電晶體壓電晶體 (a) 壓電傳感器的等效原理 壓電傳感器的等效原理 q Ca (b) 當兩極板聚集當兩極板聚集異性電荷異性電荷時時, 則兩極板呈現(xiàn)一定的則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓電壓, 大小為大小為 a a q u C q 電極電極 壓電晶體壓電晶體 (a) 壓電傳感器的等效原理 壓電傳感器的等效原理 q Ca (b) 0r

23、 a AA C dd e ee = A、d -壓電片的面積、厚度壓電片的面積、厚度 0(=1/3.6 )、r -真空、壓電材料的相對介電常數(shù)真空、壓電材料的相對介電常數(shù) 電容量電容量 （a）等效電壓源）等效電壓源 a a q u C = 一個與電容相一個與電容相 串聯(lián)串聯(lián)的電壓源的電壓源 （b）等效電荷源）等效電荷源 Ca ua （a）電壓源）電壓源 aa qu C= q Ca （b）電荷源）電荷源 一個與電容相一個與電容相 并聯(lián)并聯(lián)電荷源電荷源 電壓靈敏度電壓靈敏度 a u u K F 電荷靈敏度電荷靈敏度 q q K F / uqa KKC qua KK C兩者的關系兩者的關系 壓電傳感器

24、的完整等效電路壓電傳感器的完整等效電路 （a a） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 Ua Ca RaCcRiCiqRaCcRiCiCe (a)(b) 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容電纜電容CC， 前置放大器的前置放大器的輸入電阻輸入電阻Ri和和輸入電容輸入電容Ci以及傳感器的以及傳感器的絕絕 緣電阻緣電阻Ra。壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖所示。壓電傳感器完整的等效電路可表示成圖所示。 只有當壓電傳感器只有當壓電傳感器內(nèi)部信號電荷無漏損內(nèi)部信號電荷無漏損或或外接電路負載外接電路負載 RL無窮大無窮大時時,壓電傳感器受力后產(chǎn)

25、生的壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓電壓或或電荷電荷才能才能 長期保存長期保存,否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電 對于對于靜態(tài)、低頻測量靜態(tài)、低頻測量極為不利極為不利,必然帶來誤差必然帶來誤差 只有只有外力不斷以較高頻率作用外力不斷以較高頻率作用,傳感器的電荷才能得以傳感器的電荷才能得以 補充補充, 壓電晶體不適合于靜態(tài)測量壓電晶體不適合于靜態(tài)測量 在實際使用時壓電傳感器總要與測量儀器或測量電路在實際使用時壓電傳感器總要與測量儀器或測量電路 相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的相連接，需考慮壓電傳感器的泄漏電阻、連接電纜的 等效電容、前置放大器的輸入

26、電阻和輸入電容等等效電容、前置放大器的輸入電阻和輸入電容等 思考：壓電晶體不適合于靜態(tài)測量？思考：壓電晶體不適合于靜態(tài)測量？ 二、二、測量電路測量電路 壓電傳感器要求測量電路的前級輸入端要有壓電傳感器要求測量電路的前級輸入端要有足夠高的足夠高的 阻抗阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。 壓電傳感器的壓電傳感器的前置放大器前置放大器有兩個用處：有兩個用處： 一是把傳感器的一是把傳感器的高阻抗輸出高阻抗輸出變換為變換為低阻抗輸出低阻抗輸出； 二是把傳感器的二是把傳感器的微弱信號進行放大微弱信號進行放大。 傳感器的傳感器的內(nèi)阻很大內(nèi)阻很大, ,

27、 而而輸出信號較小輸出信號較小, , 一般不能直接取用一般不能直接取用 需要接入高輸入阻抗的需要接入高輸入阻抗的前置放大器前置放大器 根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器的輸出可以是根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器的輸出可以是 電壓信號，也可以是電荷信號電壓信號，也可以是電荷信號有相應兩種形式有相應兩種形式 （1）電壓放大器：）電壓放大器：也稱作阻抗變換器，其輸出電壓也稱作阻抗變換器，其輸出電壓 與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）與輸入電壓（傳感器的輸出電壓） 成正比成正比 （2）電荷放大器：）電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比其輸出電壓與輸入電荷成正比 （一）（一） 電壓放大器電壓放大器 （

28、1）電路原理圖）電路原理圖 等效電阻等效電阻/ ei ei ei RR RRR RR = + 等效電容等效電容 ei CCC=+ 圖6-9 電壓放大器電路原理及其等效電路圖 A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 等效電路等效電路放大器電路放大器電路 傳感器的泄漏電阻傳感器的泄漏電阻Re；連接電纜的等效電容；連接電纜的等效電容Ce；前置放大器的輸入電阻；前置放大器的輸入電阻Ri ；輸入電容；輸入電容Ci 電容器上的電壓電容器上的電壓 ua= q / Ca f= Fmsint（Fm為幅值）為幅值） 如果壓電元件沿電軸為如果壓電元件沿電軸為正弦作用力正弦作用力

29、變化，產(chǎn)生的變化，產(chǎn)生的 電荷與電壓也按正弦變化，即電荷與電壓也按正弦變化，即 Um= dFm/Ca 壓電元件輸出電壓幅值壓電元件輸出電壓幅值 d壓電系數(shù)壓電系數(shù) sin sin m am aaa dFtqdf UUt CCC w w= A uo CiRiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b) 等效電路等效電路放大器電路放大器電路 1 / 1()1()11 / a iaa aa a R j RCj Rj C UUUdf j R C Cj R C C R j Cj C Ui的的幅值幅值Uim為為 . 222 )(1 )( iea m im CCCR RdF U A uo Ci

30、RiCeRe Ca ua (a) CR Ca uaui (b)等效電路 等效電路放大器電路放大器電路 （2）放大器輸入端的電壓）放大器輸入端的電壓Ui分析分析 輸入電壓和作用力之間輸入電壓和作用力之間相位差相位差為為 )(arctan 2 )(RCCC iea Ui的的幅值幅值Uim為為 . 222 )(1 )( iea m im CCCR RdF U 當作用于壓電元件的力為當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力靜態(tài)力（=0）時，）時， 前置前置 放大器的放大器的輸出電壓等于零輸出電壓等于零， 因為電荷會通過放大器因為電荷會通過放大器 輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所

31、以所以壓電傳感壓電傳感 器不能用于靜態(tài)力的測量器不能用于靜態(tài)力的測量。 由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關被測頻率無關，當，當 改變連接傳感器與前置放大器的改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度電纜長度時，時，Cc將改變將改變， 從而引起放大器的從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化輸出電壓也發(fā)生變化。在設計時，通常。在設計時，通常 把電纜長度定為一常數(shù)，使用時如要把電纜長度定為一常數(shù)，使用時如要改變電纜長度改變電纜長度，則必，則必 須須重新校正電壓靈敏度值重新校正電壓靈敏度值。 電壓靈敏度電壓靈敏度 e im u mia Ud K FCCC 理想情況下

32、，傳感器的電阻值理想情況下，傳感器的電阻值ReRe與前置放大器輸入電阻與前置放大器輸入電阻 RiRi都為無限大，都為無限大，即即 (Ca+Ce+Ci )R1，則，則輸入電壓幅值輸入電壓幅值 Uim ： iea m im CCC dF U 結論結論： 理想情況下，輸入電壓幅值理想情況下，輸入電壓幅值 iea m im CCC dF U （a）當）當Uim與與F的的無關，高頻響應特性較好無關，高頻響應特性較好 （c）當）當(Ca+Ce+Ci)R1，改變壓電傳感器的引線電纜，改變壓電傳感器的引線電纜 長度時，其電纜電容長度時，其電纜電容Ce的變化將引起放大器的變化將引起放大器Uim的變的變 化化測量

33、中通常測量中通常電纜長度需固定電纜長度需固定( (Ce=常數(shù)常數(shù)) )， 否則將否則將 引入測量誤差引入測量誤差 （d）電壓靈敏度）電壓靈敏度Ku im u maei Ud K FCCC = + （b）當為靜態(tài)力時）當為靜態(tài)力時(=0)時，前置放大器的輸出電壓時，前置放大器的輸出電壓=0 所以壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量所以壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量 （二）（二） 電荷放大器電荷放大器 為解決電纜分布電容對傳感器靈敏度的影響和低頻響應差為解決電纜分布電容對傳感器靈敏度的影響和低頻響應差 的缺點，可采用的缺點，可采用電荷放大器電荷放大器。 電荷放大器具有深度負反饋的高增益放大器，常作電荷放大器

34、具有深度負反饋的高增益放大器，常作 為壓電傳感器的輸入電路，由一個為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容反饋電容Cf和和高增益高增益 運算放大器運算放大器A構成。構成。 由于放大器的開環(huán)增益由于放大器的開環(huán)增益A 足夠大，足夠大，并且并且輸入端阻抗輸入端阻抗 很高，放大器輸入端很高，放大器輸入端幾乎幾乎 沒有分流，運算電流沒有分流，運算電流僅僅 流入反饋回路流入反饋回路Cf 。 A uo CiqCaCe Cr 圖6-10 電荷放大器等效電路 f 輸入到放大器的電荷量為輸入到放大器的電荷量為 if qqq=- A: 放大器的開環(huán)增益倍數(shù)放大器的開環(huán)增益倍數(shù) i oi ica q uAuA CCC

35、 = -= - + 輸出電壓輸出電壓 o iaci u qCCC A =- （+ ）放大器輸入電荷放大器輸入電荷 而反饋電容而反饋電容Cf上的電荷上的電荷 oo fiofoff uu qu uCuCAC AA =( -)=(-)= （1+ ）- oo acif o f uu C C CqAC AA u qAC A 輊 犏- - 犏 臌 + - ( + + )=（ 1+ ） = （ 1+ ） 有有 代代 入入 ooo aciff uuu C C CqACqAC AAA - ( + + )=（1+ ）= （1+ ） 輊 犏- -+ 犏 臌 f o C q u 當當A1，而，而(1+A)CfCa+C

36、c+Ci時，上式簡化為時，上式簡化為 q：傳感器電荷：傳感器電荷 (1) o acif Aq u CCCA C 整理整理, 得得放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓 (a)當當A足夠大時，輸出電壓與足夠大時，輸出電壓與A無關，電荷放大器的輸出無關，電荷放大器的輸出 電壓電壓uo取決于傳感器產(chǎn)生的電荷量取決于傳感器產(chǎn)生的電荷量q及反饋電容及反饋電容Cf ，與，與 電纜電容電纜電容Cc無關，改變無關，改變Cf的大小便可得到所需的電壓的大小便可得到所需的電壓 輸出（輸出（Cf =100104pF；）；） f o C q u (b)傳感器本身的電容傳感器本身的電容Ca和電纜電容和電纜電容Cc將不影響電荷放

37、大器將不影響電荷放大器 的輸出，故電纜引線長度變化的輸出，故電纜引線長度變化不會帶來測量誤差不會帶來測量誤差 輸出電壓輸出電壓uo 使用電壓放大器時，測量系統(tǒng)對電纜電容的變使用電壓放大器時，測量系統(tǒng)對電纜電容的變 化很敏感，連接化很敏感，連接電纜長度的變化明顯影響測量電纜長度的變化明顯影響測量 系統(tǒng)的輸出；系統(tǒng)的輸出； 使用電荷放大器時，使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響幾乎電纜長度變化的影響幾乎 可忽略不計。可忽略不計。 但與電壓放大器相比，電荷放大器價格要高很但與電壓放大器相比，電荷放大器價格要高很 多，電路也較復雜，調(diào)整起來也較困難。多，電路也較復雜，調(diào)整起來也較困難。 電壓放大器和電

38、壓放大器和電荷放大器的主要區(qū)別：電荷放大器的主要區(qū)別： 【例例】如圖所示電荷前置放大器電路。已知如圖所示電荷前置放大器電路。已知Ca=100pF Ra=，CF=10pF。若考慮引線。若考慮引線Cc的影響，當?shù)挠绊懀擜0104時時 要求輸出信號衰減小于要求輸出信號衰減小于1。求：使用。求：使用90pF/m的電纜其的電纜其 最大允許長度為多少最大允許長度為多少? 在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組在實際應用中，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 上的晶片粘結在一起。粘結的方法有兩種，即上的

39、晶片粘結在一起。粘結的方法有兩種，即并聯(lián)和串并聯(lián)和串 聯(lián)聯(lián)。 （三）（三） 壓電傳感器的級聯(lián)方式壓電傳感器的級聯(lián)方式 CCUUqq22 ； CCUUqq 2 1 2 ； v并聯(lián)連接并聯(lián)連接v串聯(lián)連接串聯(lián)連接 UU 2CC 2UU 2QQ QQ 1 2 CC 壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等 許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動傳許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動傳 感器等等。感器等等。 一、壓電式測力傳感器一、壓電式測力傳感器 壓電式測力傳感器是利用壓電元壓電式測力傳感器是利用壓電元 件直接實現(xiàn)力件直

40、接實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換的傳感器。目電轉(zhuǎn)換的傳感器。目 前，測力傳感器已組成各種錘頭型測前，測力傳感器已組成各種錘頭型測 力錘，可測量動態(tài)力、準靜態(tài)力和沖力錘，可測量動態(tài)力、準靜態(tài)力和沖 擊力等。擊力等。 壓電式力傳感器外形圖壓電式力傳感器外形圖 第三節(jié)第三節(jié) 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用 基座 插 座 蓋板 壓電晶體 絕 緣 體 壓電式力傳感器結構壓電式力傳感器結構 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.10.5mm0.5mm， 外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用 其縱向壓電效應，通過

41、其縱向壓電效應，通過d d11 11實現(xiàn)力 實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。電轉(zhuǎn)換。 通過彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞通過彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞 給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石 英晶體作壓電元件。英晶體作壓電元件。 引線引線 殼體殼體 基座基座 壓電晶片壓電晶片 受壓膜片受壓膜片 導電片導電片 p p 二、壓電式加速度傳感器結構二、壓電式加速度傳感器結構 當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時， 壓電元件受質(zhì)量塊慣性力壓電元件受質(zhì)量塊慣性力 的作用，產(chǎn)生電荷。的作用

42、，產(chǎn)生電荷。 q=d11F=d11ma 例例1 1：在體育動態(tài)測量中的應用：在體育動態(tài)測量中的應用 壓電式步態(tài)分析壓電式步態(tài)分析 跑臺跑臺 壓電式縱跳訓練分析壓電式縱跳訓練分析 裝置裝置 壓電傳感器測量雙腿壓電傳感器測量雙腿 跳的動態(tài)力跳的動態(tài)力 例例2 2： 壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器 例例3 3：指套式電子血壓計：指套式電子血壓計 測量時將心音傳感器底座用測量時將心音傳感器底座用 橡皮膏與人體體表粘結，傳感器橡皮膏與人體體表粘結，傳感器 感受與人體體表相同頻率的振動，感受與人體體表相同頻率的振動， 質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變 力作用在壓電晶體上，壓電晶體

43、力作用在壓電晶體上，壓電晶體 便產(chǎn)生電荷。便產(chǎn)生電荷。 心音是一種生物機械振動現(xiàn)心音是一種生物機械振動現(xiàn) 象，加速度型心音傳感器是將一象，加速度型心音傳感器是將一 個質(zhì)量塊以一定的預應力安裝在個質(zhì)量塊以一定的預應力安裝在 雙壓電晶體上，壓電晶體和導線雙壓電晶體上，壓電晶體和導線 都用導電膠粘結在底座上。都用導電膠粘結在底座上。 例例4 4：加速度型心音傳感器加速度型心音傳感器 石英晶振石英晶振 v晶振一般叫做晶體 諧振器，由壓電效應 制成的一種諧振器件， 是用電損耗很小的石 英晶振經(jīng)精密切割磨 削并鍍上電極焊上引 線做成。 石英晶振石英晶振 0 F M F 例例5 5：微重力壓電晶體生物傳感器

44、：微重力壓電晶體生物傳感器 石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合 質(zhì)量。石英傳感器，其表面吸附的被分析物質(zhì)而引起的諧質(zhì)量。石英傳感器，其表面吸附的被分析物質(zhì)而引起的諧 振頻率變化關系為：振頻率變化關系為： 利用這一原理可對溶液中許多化合物，通過電極上的利用這一原理可對溶液中許多化合物，通過電極上的 電解沉淀進行測量，例如監(jiān)測微生物的生長率，該方法當電解沉淀進行測量，例如監(jiān)測微生物的生長率，該方法當 濃度在范圍內(nèi)，有很好的線性。濃度在范圍內(nèi)，有很好的線性。 例例6 6：超聲診斷儀探頭：超聲診斷儀探頭 如果換能器中壓電陶如果換能器中壓電陶

45、 瓷的振蕩頻率在超聲波范瓷的振蕩頻率在超聲波范 圍，則其發(fā)射或接收的聲圍，則其發(fā)射或接收的聲 頻信號即為超聲波，這樣頻信號即為超聲波，這樣 的換能器稱為壓電超聲換的換能器稱為壓電超聲換 能器。能器。 壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓壓電式超聲波探頭主要有壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓 電材料的壓電效應工作，分為發(fā)射、接收兩部分電材料的壓電效應工作，分為發(fā)射、接收兩部分 發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應，將高頻電振發(fā)射元件：利用壓電材料的逆壓電效應，將高頻電振 動轉(zhuǎn)換為機械振動產(chǎn)生超聲波，將電能動轉(zhuǎn)換為機械振動產(chǎn)生超聲波，將電能機械能；機械能； 接收元件：利用壓電材料正壓電效應，將

46、超聲波振動接收元件：利用壓電材料正壓電效應，將超聲波振動 轉(zhuǎn)換為電信號，轉(zhuǎn)換為電信號， 將機械能將機械能電能。電能。 轉(zhuǎn)動凸輪開關轉(zhuǎn)動凸輪開關1，利用凸輪凸出部分推動沖擊塊，利用凸輪凸出部分推動沖擊塊3，并壓，并壓 縮沖擊塊后的彈簧縮沖擊塊后的彈簧2。當凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。當凸輪凸出部分脫離沖擊塊后。 由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件由于彈簧彈力作用，沖擊塊給陶瓷壓電元件4一個沖擊一個沖擊 力，便在壓電元力，便在壓電元 件兩端產(chǎn)生高壓，件兩端產(chǎn)生高壓， 并從中間電極并從中間電極5輸輸 出高壓，產(chǎn)生電火出高壓，產(chǎn)生電火 花點燃氣體?；c燃氣體。 壓電陶瓷點火器壓電陶瓷點火器 轉(zhuǎn)動凸輪開關轉(zhuǎn)動凸輪開關1，利用凸輪凸出部分推動沖擊塊，利用凸輪凸出部分推動沖擊