傳感器原理及檢測技術吉林大學力敏傳感器壓電式傳感器實用教案

1、一、壓電效應一、壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質，當沿著一正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質，當沿著一定方向定方向(fngxing)(fngxing)對其施力而使它變形時，內部就對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當產生極化現象，同時在它的一定表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現象。當作用外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現象。當作用力方向力方向(fngxing)(fngxing)改變時，電荷極性也隨著改變。改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質的極化方逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質的極化方

2、向向(fngxing)(fngxing)施加電場，這些電介質就在一定方向施加電場，這些電介質就在一定方向(fngxing)(fngxing)上產生機械變形或機械壓力，當外加電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的現象。場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現象。電能(dinnng)機械能正壓電效應正壓電效應(y din xio yng)(y din xio yng)逆壓電效應逆壓電效應第1頁/共47頁第一頁，共48頁。（一）石英晶體的壓電效應（一）石英晶體的壓電效應天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體，在天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可

3、用三根互相垂直的軸來表示，其中晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中(qzhng)(qzhng)縱向軸縱向軸Z ZZ Z稱為光軸；經過正六面體棱稱為光軸；經過正六面體棱線，并垂直于光軸的線，并垂直于光軸的X XX X軸稱為電軸；與軸稱為電軸；與X XX X軸和軸和Z ZZ Z軸同時垂直的軸同時垂直的Y YY Y軸（垂直于正六面體的棱面）軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。稱為機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想(lxing)石英晶體的外形 (b)坐標系ZYX通常把沿電軸X XX X方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為(chn wi)(chn wi)“縱向壓電效應”，而把沿機械軸Y

4、 YY Y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為(chn wi)(chn wi)“橫向壓電效應”，沿光軸Z ZZ Z方向受力則不產生壓電效應。第2頁/共47頁第二頁，共48頁。 石英晶體具有壓電效應，是由其內部結構決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便(fngbin)，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 (b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影(tuyng)（b）等效為正六邊形排列的投影(tuyng)+第3頁/共47頁第三頁，共48頁。 當作用力FX=0時，正、

5、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負電荷中心重合(chngh)，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 當晶體受到沿X方向的壓力（FX0在Y、Z方向(fngxing)上的分量為（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現正電荷，在Y、Z軸方向(fngxing)則不出現電荷。Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P3第4頁/共47頁第四頁，共48頁?？梢?，當晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產生(chnshng

6、)正壓電效應，而Y、Z方向則不產生(chnshng)壓電效應。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當FY0時，晶體的形變與圖（b）相似；當FY0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產生(chnshng)正壓電效應，在Y、Z方向則不產生(chnshng)壓電效應。 （P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 當晶體受到沿X方向的拉力（FX0）作用時，其變化(binhu)情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(chxin)負電荷，在Y、Z方向則不出現(chxin)電荷。第5頁/共47頁第五頁，共48頁。 晶體在

7、Z軸方向力FZ的作用下，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產生的正應變完全相同，所以(suy)，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產生壓電效應。 假設從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當晶片受到沿X軸方向的壓縮應力(yngl)XX作用時，晶片將產生厚度變形，并發(fā)生極化現象。在晶體線性彈性范圍內，極化強度PXX與應力(yngl)XX成正比，即ZYXbl石英(shyng)晶體切片t第6頁/共47頁第六頁，共48頁。式中 FXX軸方向的電場強度；

8、d11壓電系數，當受力方向和變形(bin xng)不同時，壓電系數也不同，石英晶體d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長度和寬度。 極化強度PXX在數值上等于晶面上的電荷密度，即 式中 qX垂直于X軸平面(pngmin)上的電荷。將上兩式整理，得 lbFddPXXXXX1111lbqPXXX式中 電極(dinj)(dinj)面間電容。 XXFdq11XXXXXCFdCqU11tlbCrX0其極間電壓為第7頁/共47頁第七頁，共48頁。根據逆壓電效應，晶體在X軸方向將產生伸縮，即 或用應變表示，則式中 EXX軸方向上的電場(din chng)強度。 在X軸方向施加壓力時，左旋石英

9、晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。 XXEdtUdtt1111FXFX+ +(a)(b)XXt=d11UX第8頁/共47頁第八頁，共48頁。 如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X X軸垂直(chuzh)(chuzh)平面上出現，其極性見圖（c c）、（d d），此時電荷的大小為 + (c)(d)FYFYXXYYXYFtldFtblbdq1212式中 d12石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數。根據石英晶體軸對稱條件：d11=d12，則上式為式中 t晶片厚度(hud)。則其極間電壓為 YXYFtl

10、dq12XYXXYXCFtldCqU11第9頁/共47頁第九頁，共48頁。根據逆壓電效應，晶片在Y軸方向將產生伸縮變形，即或用應變表示由上述可知： 無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度(qingd)）之間呈線性關系； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。 XUtldl11XEdll11第10頁/共47頁第十頁，共48頁。（二）（二） 壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應 壓電陶瓷屬于鐵電體一類壓電陶瓷屬于鐵電體一類(y li)(y li)的物質，是人工的物質，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁

11、疇結構制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的電疇結構。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零，見相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零，見圖（圖（a a）。）。 直流電場E剩 余 極 化 ( j hu)強度剩余(shngy)伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 第11頁/共47頁第十一

12、頁，共48頁。但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內的極化強度總是以電偶極矩的形式表現出來，即在陶瓷的一端出現正束縛電荷，另一端出現負束縛電荷。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的束縛電荷符號(fho)(fho)相反而數量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內的極化程度，如圖。 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖第12頁/共47頁第十二頁，共48頁。 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F

13、F，如圖，陶瓷片將產生壓縮形變（圖中虛線），片內的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現放電荷現象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀( (這是一個膨脹過程) )，片內的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現充電現象。這種由機械效應轉變?yōu)殡娦蛘哂蓹C械能轉變?yōu)殡娔?dinnng)(dinnng)的現象，就是正壓電效應。 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第13頁/共47頁第十三頁，共48頁。 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

14、向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產生伸長(shn chn)形變（圖中虛線）。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生縮短形變。這種由于電效應而轉變?yōu)闄C械效應或者由電能轉變?yōu)闄C械能的現象，就是逆壓電效應。逆壓電效應示意圖（實線代表形變(xngbin)前的情況，虛線代表形變(xngbin)后的情況） 極 化( j hu)方向電場方向第14頁/共47頁第十四頁，共48頁。 由此可見，壓電陶瓷(toc)所以具有壓電效應，是由于陶瓷(toc)內部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經過極化工序處理而被迫

15、取向排列后，陶瓷(toc)內即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷(toc)就出現壓電效應。此外，還可以看出，陶瓷(toc)內的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷(toc)中產生的放電或充電現象，是通過陶瓷(toc)內部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結果。第15頁/共47頁第十五頁，共48頁。二、壓電材料二、壓電材料種類：種類：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；壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等

16、。 對壓電材料特性要求：對壓電材料特性要求： 轉換性能。要求具有較大壓電常數。轉換性能。要求具有較大壓電常數。 機械性能。壓電元件作為受力元件，希望機械性能。壓電元件作為受力元件，希望(xwng)它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。的線性范圍和高的固有振動頻率。 電性能。希望電性能。希望(xwng)具有高電阻率和具有高電阻率和大介電常數，以減弱外部分布電容的影響并獲得大介電常數，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。良好的低頻特性。 環(huán)境適應性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，環(huán)境適應性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點

17、，獲得較寬的工作溫度范要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。 第16頁/共47頁第十六頁，共48頁。（一）（一） 石英晶體石英晶體 石英（石英（SiO2SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數和壓電系數的溫度穩(wěn)定性相當體。其介電常數和壓電系數的溫度穩(wěn)定性相當(xingdng)(xingdng)好，在常溫范圍內這兩個參數幾乎不隨溫好，在常溫范圍內這兩個參數幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。度變化，如下兩圖。 由圖可見，在由圖可見，在2020200200范圍內，溫度每升

18、高范圍內，溫度每升高11，壓電系數僅減少壓電系數僅減少0.0160.016。但是當到。但是當到573573時，它完全時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。失去了壓電特性，這就是它的居里點。 1.000.990 . 980 . 970 . 960.9520406080100120 140 160180200dt/d20斜率(xil)：0.016/t石英的d11系數相對于20的d11溫度變化(binhu)特性6543210100 200300400500600t/相對介電常數居里點石英在高溫下相對介電常數的溫度特性第17頁/共47頁第十七頁，共48頁。 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械

19、強度高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。 因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同(b tn)方向切割的晶片，其物理性質（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。為了在設計石英傳感器時，根據不同(b tn)使用要求正確地選擇石英片的切型。 石英晶片的切型符號表示方法：IRE標準規(guī)定的切型符號表示法；習慣符號表示法。 第18頁/共47頁第十八頁，共48頁。 IRE標準規(guī)定的切型符號包括一組字母（X、Y、Z、t、l、b）和角度。用X、Y、Z中任意兩個字母的先后排列順序(shnx)，表示石英晶片厚度和長度的原始方向；用字母

20、t（厚度）、l（長度）、b（寬度）表示旋轉軸的位置。當角度為正時,表示逆時針旋轉；當角度為負時,表示順時針旋轉。例如：(YXl)35切型，其中第一個字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋轉前的位置)時的厚度ZZOOYYZXX35(a)(b)（YXl）35切型（a）石英(shyng)晶片原始位置（b）石英(shyng)晶片的切割方位沿Y Y軸方向，第二個字母X X表示石英(shyng)(shyng)晶片在原始位置時的長度沿X X軸方向，第三個字母l l和角度3535表示石英(shyng)(shyng)晶片繞長度逆時針旋轉3535，如圖。Y第19頁/共47頁第十九頁，共48頁。又如（XYtl）5/-5

21、0切型，它表示(biosh)石英晶片原始位置的厚度沿X軸方向，長度沿Y軸方向，先繞厚度t逆時針旋轉5，再繞長度l順時針旋轉50，如圖。 習慣符號表示(biosh)法是石英晶體特有的表示(biosh)法，它由兩個大寫的英文字母組成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和FC等。OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片原始(yunsh)位置(b)石英晶片的切割(qig)方位第20頁/共47頁第二十頁，共48頁。（二）（二） 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3BaTiO3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCO3BaCO3）和）和二氧化鈦（二氧化鈦

22、（TiO2TiO2）按）按1 1：1 1分子比例在高溫下合成分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數和較大的壓電系數它具有很高的介電常數和較大的壓電系數（約為石英（約為石英(shyng)(shyng)晶體的晶體的5050倍）。不足之處是居倍）。不足之處是居里溫度低（里溫度低（120120），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英石英(shyng)(shyng)晶體。晶體。2 2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZTPZT） 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3PbTiO3和PbZrO3PbZrO3組成的固溶體PbPb（ZrZr、TiTi）O3O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系

23、數更大，居里溫度在300300以上，各項機電參數(cnsh)(cnsh)受溫度影響小，時間穩(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PZTPZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。 第21頁/共47頁第二十一頁，共48頁。4、壓電半導體材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波(shn b)振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數。3 3、壓電聚合物 聚二氟乙烯（PVF2PVF2）是目前發(fā)現的壓電效應較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜

24、就其對稱性來看，不存在壓電效應，但是它們具有“平面鋸齒”結構，存在抵消(dxio)(dxio)不了的偶極子。經延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產生自發(fā)極化偶極子。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料(PVF2PZT)(PVF2PZT)。 第22頁/共47頁第二十二頁，共48頁。三、三、 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路（一）等效電路（一）等效電路 當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測

25、機械應力的作當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷電荷(dinh)(dinh)?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€靜電發(fā)生?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€靜電發(fā)生器，如圖器，如圖(a)(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷(dinh)(dinh)，中間為絕緣體的電容器，如圖，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)(b)。其電。其電容量為容量為 qq電極(dinj)壓 電 晶 體(jngt)Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路tStSCra0當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現一定的

26、電壓，其大小為aaCqU 第23頁/共47頁第二十三頁，共48頁。因此(ync)，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯電路，如圖(b)。 qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理傳感器內部信號電荷無“漏損”，外電路(dinl)(dinl)負載無窮大時，壓電傳感器受力后產生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路(dinl)(dinl)將以某時間常數按指數規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內部不可能沒有泄漏，外電路(dinl)

27、(dinl)負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。第24頁/共47頁第二十四頁，共48頁。如果(rgu)用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整(wnzhng)等效電路Ca傳感器的固有電容Ci 前置(qin zh)放大器輸入電容 Cc 連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置(qin zh)放大器輸入電阻可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯。為保證傳感器和測試系統有一定的低頻或準靜態(tài)響應，要求壓電傳感器絕緣電阻應保待

28、在1013以上，才能使內部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與上相適應，測試系統則應有較大的時間常數，亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產生測量誤差。 第25頁/共47頁第二十五頁，共48頁。（二）（二） 測量電路測量電路 壓電式傳感器的前置壓電式傳感器的前置(qin zh)(qin zh)放大器有兩個放大器有兩個作用：作用：把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號。放大壓電式傳感器輸出的弱信號。 前置前置(qin zh)(qin zh)放大器形式：放大器形式：電壓放大器，其

29、輸出電壓與輸入電壓（傳感器的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；輸出電壓）成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1 1、電壓放大器、電壓放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua第26頁/共47頁第二十六頁，共48頁。圖（b）中，等效(dn xio)電阻R為iaiaRRRRRaaCqU tFFmsinFm作用力的幅值壓電元件(yunjin)所受作用力C=Cc+Ci而等效(dn xio)電容為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數為d33，則在外力作用下，壓電元件產生的電壓值為 amamC

30、FdCqU33tUUmasinUm電壓幅值 aiCCRjRjFdU133由圖(b)可得放大器輸入端的電壓Ui，其復數形式為第27頁/共47頁第二十七頁，共48頁。222331icamimCCCRRFdUUi的幅值Uim為icaCCCRarctan2icammimCCCFdRFdU3320331輸入(shr)電壓與作用力之間的相位差為令=R(Ca+Cc+Ci)，為測量回路(hul)的時間常數，并令0=1/，則可得可見，如果/01/01，即作用力變化頻率與測量回路時間常數的乘積遠大于1 1時。前置放大器的輸入電壓UimUim與頻率無關。一般認為/03/03，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無關。這說

31、明，在測量回路時間常數一定的條件下，壓電式傳感器具有相當好的高頻響應(xingyng)(xingyng)特性。 第28頁/共47頁第二十八頁，共48頁。但是，當被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數不大時，會造成傳感器靈敏度下降，因而(yn r)要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數。但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數，會影響傳感器的靈敏度。根據傳感器電壓靈敏度Ku的定義得22331icamimuCCCRdFUKicauCCCdK33因為R1，故上式可以(ky)近似為可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內阻越大，

32、測量回路時間常數越大，則傳感器低頻(dpn)響應也越好。當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。第29頁/共47頁第二十九頁，共48頁。 2 2、電荷放大器 電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0A0足夠大，并且(bngqi)(bngqi)放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CFCF與RFRF。由圖可知i i的表達式為： A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRFFFSCRCjUUi1FFRCjUAU10FFRACAjU11100第30頁/共47頁第三十頁，共48頁。根

33、據(gnj)(gnj)上式畫出等效電路圖A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到A0的輸入(shr)端時，電容CF將增大(1A0)倍。電導1RF也增大了(1A0)倍。所以圖中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，這就是所謂“密勒效應”的結果。運放輸入(shr)電壓輸出電壓FaFaCACjRARqjU001111FaFaSCCACjRARAqjUAU00001111第31頁/共47頁第三十一頁，共48頁。當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響(yngxing)電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數CF和RF。由于1RFCF,則FcaFaSCC

34、ACCjRARAqjU0001111FFSCCqCAqAU001若考慮電纜(dinln)電容Cc，則有可見當A0A0足夠大時，輸出電壓與A0A0無關，只取決于輸入電荷q q和反饋電容CFCF，改變(gibin)CF(gibin)CF的大小便可得到所需的電壓輸出。 CF CF一般取值100-104pF100-104pF。第32頁/共47頁第三十二頁，共48頁。運算放大(fngd)器的開環(huán)放大(fngd)倍數A0對精度有影響，當頻率很高時，則及FcaSCCACCqAU001FSCCqUFcaSCSCSCCACCUUU01100110100001.004A由此得A0A0105105。對線性集成運算放

35、大器來說，這一要求(yoqi)(yoqi)是不難達到的。 例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m),Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=105pF,100m=105pF,當要求(yoqi)1%(yoqi)1%時，則有則可計算產生的誤差為第33頁/共47頁第三十三頁，共48頁。當工作頻率很低時，分母中的電導1/Ra+(1+A0)/RF與電納jCaCc(1+A0)CF的值相當，電導就不可忽略。此時A0足夠大，則其幅值為當1/ RF = CF時可見這是截止頻率點的輸出電壓，增益(zngy)下降3dB時對應的下限截止頻率為 FFFFSCCj

36、RqjCAjRAAqjU1111000FFSCCRqU221/)2/(FSCCqUFFLCRf21第34頁/共47頁第三十四頁，共48頁?？梢妷弘娛絺鞲衅髋溆秒姾煞糯笃鲿r, ,其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路(dinl)(dinl)的參數RFRF和CF,CF,其中CFCF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當給定工作頻帶下限截止頻率fLfL時, ,反饋電阻RFRF值也可確定。如當CF=1000pF,fL=0.16HzCF=1000pF,fL=0.16Hz時, ,則要求RFRF109109。 四、壓電式傳感器的應用四、壓電式傳感器的應用(yngyng)（一）壓電式加速度傳感器（一）

37、壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用(yngyng)FFCR1arctan90 USC與q間的相位(xingwi)誤差第35頁/共47頁第三十五頁，共48頁。 當傳感器感受振動時，因為質量塊相對被測體質量較小，因此質量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F Fmama。同時慣性力作用在壓電陶瓷(toc)(toc)片上產生電荷為 運動(yn d ng )方向21345縱向(zn

38、xin)效應型加速度傳感器的截面圖（一）（一） 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器其結構一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種。縱向效應是最常見的, ,如圖。壓電陶瓷4和質量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。qd33Fd33ma第36頁/共47頁第三十六頁，共48頁。此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數和質量塊質量有關。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數大的壓電陶瓷片。若增加(zngji)(zngji)質量塊質量會影響被測振動，同時會降低振動系統的固有頻率，因此

39、一般不用增加(zngji)(zngji)質量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加(zngji)(zngji)壓電片數目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。 第37頁/共47頁第三十七頁，共48頁。連接方式：圖(a)為并聯形式，片上的負極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷(dinh)量q為單片電荷(dinh)量q的兩倍，即圖(b)為串聯形式，正電荷(dinh)集中在上極板，負電荷(dinh)集中在下極板，而中間的極板上產生的負電荷(dinh)與下片產生的正電荷(dinh)相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷(dinh)q等于單CCUUqq22

40、；片電荷q q，而輸出電壓(diny)U(diny)U為單片電壓(diny)U(diny)U的二倍，總電容C C為單片電容C C的一半，即CCUUqq212；+( a ) 并 聯(bnglin)(b)串聯疊層式壓電元件+l并聯接法，輸出電荷大，時間常數大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。l串聯接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。第38頁/共47頁第三十八頁，共48頁。（二）（二） 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 根據使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各根據使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結構形式。但它們的基本原理

41、相同。種不同的結構形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1 1、殼體殼體2 2、基座、基座3 3、壓電晶片、壓電晶片4 4、受壓膜片、受壓膜片5 5及導電片及導電片6 6組成。當膜片組成。當膜片5 5受到壓力受到壓力P P作用后，則在壓電晶片作用后，則在壓電晶片上產生電荷上產生電荷(dinh)(dinh)。在一個壓電片上所產生的。在一個壓電片上所產生的電荷電荷(dinh)q(dinh)q為為 SPdFdq1111F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(xsh)；P壓強， ；S膜片的有效面積。SFP 123456p壓電式測壓傳感器原理

42、圖第39頁/共47頁第三十九頁，共48頁。 測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(gnj)靈敏度的定義有： PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSdku因為 ，所以(suy)電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容電荷(dinh)靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度第40頁/共47頁第四十頁，共48頁。（三）（三） 壓電式流量計壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一

43、段時間距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間( (如如1/100s)1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據這個關系，可精確測定流速。流速與管道橫截據這個關系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于面積的乘積等于(dngy)(dngy)流量。流量。 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電(dodin)率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據發(fā)射(fsh)(fsh)和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況第41頁/共47頁第四十一頁，共48頁。（四）集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經傳感器內部放大電路轉換成電壓輸出(shch)。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領域。 脈搏計照片(z