傳感器壓電式

1、11第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器22第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器利用壓電材料的壓電效應實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)壓電式傳感器利用壓電材料的壓電效應實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換換 當壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將當壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。機械能轉(zhuǎn)變成電能。 利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測量力和利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測量力和能轉(zhuǎn)變成力的各種物理量。能轉(zhuǎn)變成力的各種物理量。 由于壓電效應是可逆的，在壓電材料的一定方向由于壓電效應是可逆的，在壓電材料的一定方向施加電場，它就會產(chǎn)生變形，因此壓電傳感器是雙向施加電場，它就會產(chǎn)生變形，

2、因此壓電傳感器是雙向傳感器。傳感器。33第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 4.1.1 4.1.1 壓電效應壓電效應正壓電效應：正壓電效應：有些材料，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾行┎牧希斞刂欢ǚ较驅(qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)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產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復為不帶電生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復為不帶電的狀態(tài)。當作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變。的狀態(tài)。當作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變。逆壓電效應：逆壓電效應：在這些材料的極化方向施加電場，它

3、們就會在這些材料的極化方向施加電場，它們就會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應逆壓電效應”，或稱為，或稱為“電致電致伸縮效應伸縮效應”。壓電材料壓電材料: :具有壓電效應的材料稱為壓電材料。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。 44第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.1.2 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力F作用，在其作用，在其相應表面上產(chǎn)生表面電荷相應表面上產(chǎn)生表面電荷Q，力，力F與電荷與電荷Q之間存在如下之間存在如下關(guān)系關(guān)系 )( = dqFdQ式中式中 d 壓電常數(shù)。壓電常數(shù)。4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 55第第4章

4、章 壓電式傳感器壓電式傳感器 不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面積上的力和電荷來表征壓電效應時，得到用單位面積上的力和電荷來表征壓電效應時，得到 =jiijjqd式中式中 j方向受力時在方向受力時在i方向上電荷積累的表面密度方向上電荷積累的表面密度( (即沿即沿i方向的極化方向的極化強度強度) )； jiq 沿方向沿方向j施加外力時，單位面積上感受的應力；施加外力時，單位面積上感受的應力； j 壓電常數(shù)（壓電常數(shù)（j方向受應力，在方向受應力，在i方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù)）。方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù)）。ijd4.1 壓電效應與壓電常數(shù)

5、 66第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 dij壓電常數(shù)有兩個下腳注壓電常數(shù)有兩個下腳注: :第一個腳注第一個腳注表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂直于直于x軸（軸（y軸或軸或z軸），記作軸），記作i=1（或（或2或或3）。）。 第二個下腳注第二個下腳注j=1或或2、3、4、5、6，分別表示在沿，分別表示在沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向作用的正應力和在垂直于軸方向作用的正應力和在垂直于x軸、軸、y軸、軸、z軸的軸的平面內(nèi)作用的剪切力。平面內(nèi)作用的剪切力。 晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列

6、方程組決定：方程組決定： +=+=636535434333232131362652542432322212126165154143132121111ddddddqddddddqddddddq=4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 77第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 式中式中q1、q2、q3分別分別為在垂直于為在垂直于x軸、軸、y軸和軸和z軸的表軸的表面上產(chǎn)生的總的電荷密度；面上產(chǎn)生的總的電荷密度； 1、 2 、 3表示晶體分別沿表示晶體分別沿x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸方向軸方向所受的外力分量產(chǎn)生的拉或壓應力；所受的外力分量產(chǎn)生的拉或壓應力； 4、 5、 6為剪切應力分量。為剪切應力分量。

7、 晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)晶體（壓電材料）的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下：矩陣表示如下： 363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 88第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器得到石英晶體的正壓電效應張量表達式為得到石英晶體的正壓電效應張量表達式為 則石英晶體的壓電常數(shù)矩陣為則石英晶體的壓電常數(shù)矩陣為 =321qqq65432100011020d1400d1400d1100d1100d00002011d0014d0014d0011d0011d4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 99第

8、第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電常數(shù)壓電常數(shù)dij的物理意義是：在的物理意義是：在“短路條件短路條件”下，單下，單位應力所產(chǎn)生的電荷密度。位應力所產(chǎn)生的電荷密度?！岸搪窏l件短路條件”是指壓電元是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在形上不存在“二次效應二次效應”的理想條件。壓電常數(shù)的理想條件。壓電常數(shù)d有時有時也稱為壓電應變常數(shù)。也稱為壓電應變常數(shù)。 4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 1010第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器其它的壓電常數(shù)其它的壓電常數(shù):即壓電常數(shù)即壓電常數(shù)g和和h。它們的物理意義為：。它們的物理意義

9、為： 壓電常數(shù)壓電常數(shù)g：它表示在不計它表示在不計“二次效應二次效應”的條件下，的條件下，每單位應力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度，因此有時也每單位應力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度，因此有時也稱為壓電電壓常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)稱為壓電電壓常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)d除以晶體除以晶體的絕對介電常數(shù)，即：的絕對介電常數(shù)，即： 0=rdg 壓電常數(shù)壓電常數(shù)h：它表示在不計它表示在不計“二次效應二次效應”條件下，條件下，每單位機械應變在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。因而每單位機械應變在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢梯度。因而h常數(shù)應關(guān)系到壓電晶體材料的機械性能參數(shù)，數(shù)值上常數(shù)應關(guān)系到壓電晶體材料的機械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)

10、等于壓電常數(shù)g和晶體的楊氏模量和晶體的楊氏模量E的乘積：的乘積：gEh =4.1 壓電效應與壓電常數(shù) 1111第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 考慮以下幾個方面的特性進行選擇壓電材料：考慮以下幾個方面的特性進行選擇壓電材料： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；電常數(shù)； 機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高，機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的械強度高，機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；固有振

11、動頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期得到較寬的工作溫度范圍；期得到較寬的工作溫度范圍； 時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性 : 壓電特性不隨時間蛻變。壓電特性不隨時間蛻變。 1212第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電晶體分類：壓電晶體分類：單晶體：石英晶體等單晶體：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等多晶體：壓電陶瓷等4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓

12、電元件結(jié)構(gòu)形式 1313第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.2.1 石英晶體石英晶體1、石英晶體、石英晶體y(a)0 xz(b)圖圖4-1 石英晶體石英晶體定義：定義： x軸：與軸：與z軸垂直的平面上，通過軸垂直的平面上，通過相對兩棱的直線；（有三個）相對兩棱的直線；（有三個） y軸：與軸：與x軸、軸、z軸垂直的是軸垂直的是y軸；軸； z軸：晶體對稱軸。軸：晶體對稱軸。 x切割：截得的壓電元件之兩個端切割：截得的壓電元件之兩個端面與面與x軸相垂直；軸相垂直； y切割：截得的壓電元件中的兩個切割：截得的壓電元件中的兩個端面與端面與y軸相垂直。軸相垂直。xyz4.2 4.2 壓電材料及壓電元件

13、結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 1414第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電晶體的三種壓電效應xxFdQdFQ=11c)c)切向壓電效應切向壓電效應a)a)縱向壓電效應縱向壓電效應+ + + +- - - - b) b)橫向壓電效應橫向壓電效應- - - -+ + + +1515第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 石英是具有良好壓電效應的一種壓電晶體。在石英是具有良好壓電效應的一種壓電晶體。在20200范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是-0.016%/，在溫度較低時，壓電常數(shù)的變化很小。在溫度較低時，壓電常數(shù)的變化很小。 居里點：居里點：573573 石英

14、晶體的相對介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。石英晶體的相對介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。 機械強度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應（由于溫度機械強度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應（由于溫度變化導致電荷釋放），絕緣性能相當好。變化導致電荷釋放），絕緣性能相當好。 4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 1616第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的單晶組成。細微的單晶組成。1）極化前）極化前 “電疇電疇”4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及

15、壓電元件結(jié)構(gòu)形式 1717第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電陶瓷的種類很多壓電陶瓷的種類很多 : :鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZTPZT系壓電陶瓷系壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN)PMN)鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷 需要指出的是，通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸需要指出的是，通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明顯的鉛都有明顯的熱釋電效應熱釋電效應。 4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 1818第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器（1）厚度變形（簡稱為）厚度變形（簡稱為TE方式）。方式

16、）。 利用石英晶體的縱向壓電效應，產(chǎn)生的表面電荷利用石英晶體的縱向壓電效應，產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電荷以下式計算：密度或表面電荷以下式計算： xxxxdP=11xxxxFdQ11=或或4.2.3 壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式F4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 1919第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器（2）長度變形（簡稱為）長度變形（簡稱為LE方方 式）。如圖（式）。如圖（b）所示）所示 ，利用石英的橫向壓電效應，計算公式為利用石英的橫向壓電效應，計算公式為 yyXXdP=12yyxxyyxxSSFdQ12=F4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)

17、構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 2020第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 在圖在圖4-9（a）中，當自由端）中，當自由端受力時，它就產(chǎn)生形變，放大后受力時，它就產(chǎn)生形變，放大后的形變?nèi)鐖D的形變?nèi)鐖D4-9（b）所示。）所示。 在壓電式傳感器中，不少是利用縱向在壓電式傳感器中，不少是利用縱向壓電效應的，這時所用壓電元件大都為圓壓電效應的，這時所用壓電元件大都為圓形薄片。為增大輸出，常采用多片結(jié)構(gòu)，形薄片。為增大輸出，常采用多片結(jié)構(gòu)，最多可達最多可達8片。利用橫向壓電效應時，常片。利用橫向壓電效應時，常采用雙片彎曲式結(jié)構(gòu)。采用雙片彎曲式結(jié)構(gòu)。 4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料

18、及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 2121第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器（3）厚度剪切變形）厚度剪切變形 利用剪切壓電效應的壓電元件除采用圖（利用剪切壓電效應的壓電元件除采用圖（c）片狀）片狀結(jié)構(gòu)形式外，常采用圖結(jié)構(gòu)形式外，常采用圖4-10的管狀壓電陶瓷，這種結(jié)構(gòu)的管狀壓電陶瓷，這種結(jié)構(gòu)的極化方向有平行于軸線的和徑向的兩種。的極化方向有平行于軸線的和徑向的兩種。FF4.2 4.2 壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式 2222第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.3.1 4.3.1 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件是壓電式傳感壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。當它受到外

19、器的敏感元件。當它受到外力作用時，就會在垂直于電力作用時，就會在垂直于電軸或垂直于極化方向的表面軸或垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個表面上上產(chǎn)生電荷，在一個表面上聚集正電荷，在另一個表面聚集正電荷，在另一個表面上聚集等量的負電荷。因此，上聚集等量的負電荷。因此，可以把壓電式傳感器看作一可以把壓電式傳感器看作一個靜電電容器。個靜電電容器。 tstsCra0=(b)(a)圖圖4-12 等效電路等效電路+ + + + +- - - - -銀電極銀電極壓電壓電材料材料QCa4.3 4.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路2323第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器電容器上的電壓電容器

20、上的電壓Ua（開路電壓）、電荷（開路電壓）、電荷Q與電容與電容Ca之間存之間存在著以下關(guān)系：在著以下關(guān)系： aaCQU =1 1、等效電路、等效電路1 1）電荷源）電荷源 2)2)電壓源電壓源4.3 4.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路2424第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器2 2、提高靈敏度的方法、提高靈敏度的方法1 1）并聯(lián)法）并聯(lián)法 2 2 ）串聯(lián)法）串聯(lián)法3 3 ）比較）比較 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上負并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大（因而接上負載后時間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場合，載后時間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場合，相對來說允許

21、被測對象變化頻率稍低。串聯(lián)接法輸出相對來說允許被測對象變化頻率稍低。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。4.3 4.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路2525第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.3.2 4.3.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 1 1）測量系統(tǒng)框圖）測量系統(tǒng)框圖4.3 4.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路2626第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器2）等效電路）等效電路4.3 4.3 壓電式傳感器的

22、等效電路壓電式傳感器的等效電路2727第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器3）壓電傳感器的靈敏度）壓電傳感器的靈敏度 壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式，它可以表壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式，它可以表示為單位力的電壓或單位力的電荷。前者稱為電壓靈敏示為單位力的電壓或單位力的電荷。前者稱為電壓靈敏度度Ku，后者稱為電荷靈敏度，后者稱為電荷靈敏度Kq，它們可以通過壓電元，它們可以通過壓電元件（或傳感器）的電容件（或傳感器）的電容Ca聯(lián)系起來，即聯(lián)系起來，即 aCKKQU=4.3 4.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路2828第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.4 4.4 測

23、量電路測量電路 1、引言、引言 由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，一般將電信由于壓電傳感器的輸出信號非常微弱，一般將電信號進行放大才能測量出來。但因壓電傳感器的內(nèi)阻抗相號進行放大才能測量出來。但因壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的當高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的問題外，連接電纜的長度、噪聲都是突出的問題。問題外，連接電纜的長度、噪聲都是突出的問題。 傳感器的輸出信號先由低噪聲電纜輸入高輸入阻傳感器的輸出信號先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的前置放大器。抗的前置放大器。 2929第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 前置放大器的主要作用是將壓電傳感器

24、的高阻抗前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。其次，也起放大傳感器微弱輸出變換成低阻抗輸出。其次，也起放大傳感器微弱信號的作用。信號的作用。 按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，傳按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，傳感器的輸出感器的輸出可以是電壓信號，這時把傳感器看作可以是電壓信號，這時把傳感器看作電壓發(fā)生器電壓發(fā)生器；可以是電荷信號，這時把傳感器看作可以是電荷信號，這時把傳感器看作電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器。 4.4 4.4 測量電路測量電路 3030第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 前置放大器兩種形式：前置放大器兩種形式： 一種是一種是電壓放大器電壓放大器

25、，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻器的輸出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器；抗變換器； 另一種是另一種是電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成比例。，其輸出電壓與輸入電荷成比例。 主要區(qū)別是：主要區(qū)別是： 使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其是連續(xù)電纜長度變化更為明顯。常敏感，尤其是連續(xù)電纜長度變化更為明顯。 而使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響差不多可以忽而使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計。略不計。

26、 4.4 4.4 測量電路測量電路 3131第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.4.1 電壓放大器電壓放大器 電容器的放大特性電容器的放大特性 電容器兩端的電壓將按指電容器兩端的電壓將按指數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定于測量回路的時間常數(shù)于測量回路的時間常數(shù) ， 越大，放電越慢；反之，放電越大，放電越慢；反之，放電就越快，如圖就越快，如圖4-15所示。所示。 4.4 4.4 測量電路測量電路 3232第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 由此可見：只有在測量回路開路情況，也就是傳由此可見：只有在測量回路開路情況，也就是傳感器本身的絕緣電阻感器本身的絕緣電阻Ra無限大的

27、情況，才能使傳感器無限大的情況，才能使傳感器的輸出電壓（或電荷）保持不變的輸出電壓（或電荷）保持不變; 如果傳感器本身的絕緣電阻不是足夠大，電荷就如果傳感器本身的絕緣電阻不是足夠大，電荷就會通過這個電阻很快漏掉。會通過這個電阻很快漏掉。 當傳感器與測量儀器連接后，應考慮當傳感器與測量儀器連接后，應考慮:電纜電容電纜電容前置放大器的輸入電容和輸入電阻前置放大器的輸入電容和輸入電阻 4.4 4.4 測量電路測量電路 3333第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器等效電路如下圖：等效電路如下圖：等效電阻等效電阻R為為 ：iaiaRRRRR+=等效電容等效電容C為：為：icaCCCC+=4.4 4.4

28、測量電路測量電路 3434第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器式中：式中： Ra為傳感器的絕緣電阻；為傳感器的絕緣電阻； Ri為前置放大器的輸入電阻；為前置放大器的輸入電阻； Ca為傳感器內(nèi)部電容；為傳感器內(nèi)部電容； Cc為電纜電容；為電纜電容； Ci為前置放大器輸入電容。為前置放大器輸入電容。 4.4 4.4 測量電路測量電路 3535第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器則前置放大器的輸入電壓則前置放大器的輸入電壓 為為 srURCRIUsrj1=+ 假設(shè)作用在壓電元件上的力為假設(shè)作用在壓電元件上的力為F，其幅值為，其幅值為Fm，頻，頻率為率為。即。即F=Fmsint 4.4 4.4 測量電

29、路測量電路 3636第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器在力在力F的作用下，產(chǎn)生的電荷的作用下，產(chǎn)生的電荷Q為為 Q=d F 因此因此 tdFtQimcos=dd=寫成復數(shù)形式為寫成復數(shù)形式為 FdIj=RCRFdUsrj1j=+前置放大器的輸入電壓的幅值前置放大器的輸入電壓的幅值Uim為為 22)()(1=icamimCCCRRdFU+4.4 4.4 測量電路測量電路 3737第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器輸入電壓與作用力之間的相位差用輸入電壓與作用力之間的相位差用 為為RCCCica)(arctan-2=+ 在理想情況下，傳感器的絕緣電阻在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大和

30、前置放大器的輸入電阻器的輸入電阻Ri都為無限大，即等效電阻都為無限大，即等效電阻R為無限大的為無限大的情況，電荷沒有泄漏。前置放大器的輸入電壓（即傳情況，電荷沒有泄漏。前置放大器的輸入電壓（即傳感器的開路電壓）的幅值感器的開路電壓）的幅值Uam為為 icaamCCCdFU+=它與輸入電壓它與輸入電壓Uim之幅值比為之幅值比為 22)()(1)(=icaicaamimCCCRCCCRUU+3838第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器令令 1=)(1=1icaCCCR+為測量回路的時間常數(shù)為測量回路的時間常數(shù) )(=icaCCCR+即有：即有：22111111+amimUU)arctan(2arc

31、tan214.4 4.4 測量電路測量電路 3939第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 由此得到電壓幅值比和相角與由此得到電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線，見圖頻率比的關(guān)系曲線，見圖4-17。 當作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（當作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（=0）時，則前置放大器的輸入電壓等）時，則前置放大器的輸入電壓等于零。于零。當當1時，即作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的乘積遠大于時，即作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的乘積遠大于1時，時，前置放大器的輸入電壓前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的變化不大。隨頻率的變化不大。當當3時，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。時，可近

32、似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。 4.4 4.4 測量電路測量電路 4040第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器說明：說明： 在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳感在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳感器的高頻響應是相當好的。器的高頻響應是相當好的。 但是應當指出的是，不能靠增加測量回路的電容量但是應當指出的是，不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，因為傳感器的電壓靈敏度是與電容來提高時間常數(shù)，因為傳感器的電壓靈敏度是與電容成反比的。成反比的。 22)()(1=icamimUCCCRdFUK+增加測量回路的電容量必然會使傳感器的靈敏度下降。增加測量回路的電容量必然會使傳感器的

33、靈敏度下降。 切實可行的辦法：提高測量回路的電阻。切實可行的辦法：提高測量回路的電阻。4.4 4.4 測量電路測量電路 4141第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器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，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應也就越好。的低頻響應也就越好。 一般采取的方法：前置放大器采用場效應管。一般采取的方法：前置放大器采用場效應管。 壓電式傳感器在與阻抗變換器配合

34、使用時，連接電壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 4.4 4.4 測量電路測量電路 4242第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 電纜的問題并不是不能解電纜的問題并不是不能解決的。隨著固態(tài)電子器件和集決的。隨著固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展以及越來越成電路的迅速發(fā)展以及越來越廣泛的應用，超小型放大器已廣泛的應用，超小型放大器已完全有可能裝入傳感器之中，完全有可能裝入傳感器之中，組成一體組成一體化傳感器，如圖化傳感器，如圖4-18

35、所示。所示。4.4 4.4 測量電路測量電路 4343第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.4.2 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。它能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，大器。它能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電源正比于輸入電荷。而且輸出電源正比于輸入電荷。 一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達輸入阻抗高達10101012， 而輸出阻抗小于而輸出阻抗小于100。 4.4 4.4 測量電路測量電路 4444第第4章章 壓電式傳感器壓電式

36、傳感器 使用電荷放大器優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的使用電荷放大器優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。靈敏度與電纜長度無關(guān)。 原理：電荷放大器實際上是一個具有深度電容負原理：電荷放大器實際上是一個具有深度電容負反饋的高增益放大器，其等效電路如圖反饋的高增益放大器，其等效電路如圖4-20所示。所示。 K是放大器的開環(huán)增益是放大器的開環(huán)增益 4.4 4.4 測量電路測量電路 4545第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 電荷放大器的輸入級采用了場效應晶體管，因此電荷放大器的輸入級采用了場效應晶體管，因此放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾

37、乎沒有分流，電荷電荷Q只對反饋電容只對反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓，即的輸出電壓，即 fcscCQUUf=Usc放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端反饋電容兩端的電壓。的電壓。4.4 4.4 測量電路測量電路 4646第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容Cf小，輸出就小，輸出就大，因此要達到一定的輸出靈敏度要求，必須選擇適當大，因此要達到一定的輸出靈敏度要求，必須選擇適當

38、容量的反饋電容。容量的反饋電容。 圖圖 4-21是壓電式傳感器是壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電與電荷放大器連接的等效電路，由路，由“虛地虛地”原理可知，原理可知，反饋電容反饋電容Cf折合到放大器輸折合到放大器輸入端的有效電容入端的有效電容Cf為為 ffCKC)1 (=+4.4 4.4 測量電路測量電路 4747第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件產(chǎn)生的電荷壓電元件產(chǎn)生的電荷Q不僅對反饋電容充電，同時不僅對反饋電容充電，同時也對其它所有電容充電。因此，放大器的輸出電壓也對其它所有電容充電。因此，放大器的輸出電壓 ficascCKCCCKQU)1 (=+ 可見：輸出電壓是與電纜電容

39、有關(guān)的。只有在放可見：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大器的開環(huán)增益大器的開環(huán)增益K足夠高，以致滿足以下條件：足夠高，以致滿足以下條件： )()1 (icafCCCCK+ 放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓為 fscCQU 一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻Rf(約約108 1010 )，其，其功能是功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定提供直流反饋，減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定。 4.4 4.4 測量電路測量電路 4848第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 使用電荷放大器的幾點說明：使用電荷放大器的幾點說明：1）傳感器的靈敏度歸一化方法；

40、）傳感器的靈敏度歸一化方法；2）傳感器的輸出電纜的接線注意事項；）傳感器的輸出電纜的接線注意事項；3）環(huán)境因素的影響。）環(huán)境因素的影響。4.4 4.4 測量電路測量電路 4949第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件直接成為力壓電元件直接成為力電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。關(guān)電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機械上串聯(lián)或并鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機械上串聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力結(jié)構(gòu)。聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力結(jié)構(gòu)。 壓電元件的變形方式以利用縱向壓電效應的壓電元件的變形方式以利用縱向壓電效應

41、的TE方方式為最簡便。式為最簡便。 5050第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電材料的選擇則決定于所測力的量值大小，對壓電材料的選擇則決定于所測力的量值大小，對測量誤差提出的要求，工作環(huán)境溫度等各種因素。測量誤差提出的要求，工作環(huán)境溫度等各種因素。 晶片數(shù)目通常是使用機械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。晶片數(shù)目通常是使用機械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。 機械上串聯(lián)的晶片數(shù)目增加會導致傳感器抗測向干機械上串聯(lián)的晶片數(shù)目增加會導致傳感器抗測向干擾能力的降低，而機械上并聯(lián)的片數(shù)增加會導致傳感器擾能力的降低，而機械上并聯(lián)的片數(shù)增加會導致傳感器加工精度過高加工精度過高 。4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器

42、5151第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器1）結(jié)構(gòu)原理）結(jié)構(gòu)原理2）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點3）使用注意事項）使用注意事項1、壓電式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器 圖圖4-22給出給出YDS781型單向型單向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 5252第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器2、壓電式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器1）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點2）溫度補償方法）溫度補償方法3）加速度補償原理）加速度補償原理4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 5353第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器3、壓電式加速度傳感器、壓電式加速度傳感器引言：

43、引言： 加速度測量方法及傳感器分類：絕對式、相對式加速度測量方法及傳感器分類：絕對式、相對式(慣性式慣性式)慣性式慣性式牽連運動牽連運動相對運動相對運動4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 5454第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器1)結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理2）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點3）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù)4）橫向靈敏度：）橫向靈敏度： 橫向靈敏度橫向靈敏度是指傳感器受到橫向加速度時是指傳感器受到橫向加速度時的最大靈敏度。的最大靈敏度。 圖圖4-24為壓縮式壓電加為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 4.5 4.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 5555第第4章章 壓電式傳感器

44、壓電式傳感器產(chǎn)生的原因：（1） 壓電材料性能的不均勻、壓電壓電材料性能的不均勻、壓電片表面粗糙或兩個表面不平行、壓片表面粗糙或兩個表面不平行、壓電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；（2） 晶體片切割或極化方向有偏差；晶體片切割或極化方向有偏差； （3） 傳感器基座上下兩端互相不平傳感器基座上下兩端互相不平行；行；（4） 基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面不平；基座平面不平；（5） 質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不緊；緊；（6） 傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不對稱。對稱。 5656第第4章章 壓電式傳感器壓電

45、式傳感器4.6 4.6 誤差分析誤差分析 4.6.1 環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響 周圍環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電周圍環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。常數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。 石英晶體石英晶體 石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至200，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在200400范圍內(nèi)變化也不大。范圍內(nèi)變化也不大。 5757第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定性

46、，一為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定性，一般應進行人工老化處理。般應進行人工老化處理。 人工老化處理的方法是，將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復加人工老化處理的方法是，將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復加溫和降溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二小時。溫和降溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二小時。壓電陶瓷壓電陶瓷 人工極化的壓人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，壓電常數(shù)和介電要大得多，壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體上如圖上如圖4-30所示。所示。4.6 4.6 誤差分析誤差分析 5858第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器

47、 壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，壓穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。 普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。 壓電材料的體電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律壓電材料的體電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律減小的。減小的。 傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)重要的部件。普通傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)

48、重要的部件。普通電纜是不能耐電纜是不能耐700以上高溫的。以上高溫的。 電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機絕電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機絕緣材料中使絕緣電阻減低。緣材料中使絕緣電阻減低。4.6 4.6 誤差分析誤差分析 5959第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.6.2 環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能影響也很大。如果傳環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能影響也很大。如果傳感器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄感器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應變壞。漏電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應變壞。

49、要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。苯乙烯、陶瓷等。 零件表面的光潔度要高。零件表面的光潔度要高。 對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應采對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應采取防潮密封措施，在容易漏氣或進水的輸出引線接頭取防潮密封措施，在容易漏氣或進水的輸出引線接頭處用特殊材料加以密封。處用特殊材料加以密封。 4.6 4.6 誤差分析誤差分析 6060第第4章章 壓電式傳感器壓電式傳感器4.6.3 電纜噪聲電纜噪聲 壓電式傳感器的信號電纜一般采用小型同軸導線，這壓電式傳感器的信號電纜一般采用小型同軸導線，這種電纜很柔軟，具有良好的撓性。種電纜很柔軟，具有良好的撓性。電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電纜電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電纜是由聚乙烯或聚四氟乙烯作絕緣保護層的多股絞線組成。是由聚乙烯或聚四氟乙烯作絕緣保護層的多股絞線組成。 為了減少這種噪聲，除選用特制的低噪聲電纜。為了減少這種噪聲，除選用特制的低噪聲電纜。在測量過程中應將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對運動。在測量過程中應將電纜固緊，以免產(chǎn)生