第5章_壓電式傳感器

1、武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第5 5章章 壓電式傳感器壓電式傳感器武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器5.1 5.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一特定方某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一特定方向?qū)ζ涫┝Χ顾a(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，向?qū)ζ涫┝Χ顾a(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上產(chǎn)生符號(hào)相反的等量電荷；當(dāng)外力取并在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上產(chǎn)生符號(hào)相反的等量電荷；當(dāng)外力取消后，電荷也隨之消失，晶體又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)消后，電荷也隨之消失，晶體

2、又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)( (電壓電壓) )作用作用時(shí)，這些電介質(zhì)晶體會(huì)在一特定的晶軸方向上產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，這些電介質(zhì)晶體會(huì)在一特定的晶軸方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；外加電場(chǎng)消失時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，或機(jī)械壓力；外加電場(chǎng)消失時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，此種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮現(xiàn)象此種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮現(xiàn)象 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院式中：式中：q qi i i i面上的電荷密度面上的電荷密度(C/cm(C/

3、cm2 2) )；Q Qi i i i面上的總電荷量面上的總電荷量(C)(C)； j j j j方向的應(yīng)力方向的應(yīng)力(N/cm2)(N/cm2)；F Fj j j j方向的作用力；方向的作用力；D Dijij材料的壓電常數(shù)材料的壓電常數(shù)(C/N)(C/N)，(i=(i=1 1，2 2，3 3，j j=1=1，2 2，3 3，4 4，5 5，6)6)。i i 表示晶體的極化方向，當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于表示晶體的極化方向，當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于x x軸軸(y(y軸或軸或z z軸軸) )時(shí)時(shí) i i=1(=1(或或2 2，3)3)j j 1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6，分別表示沿，分

4、別表示沿x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸方向的單向應(yīng)力，和在垂軸方向的單向應(yīng)力，和在垂直于直于x x軸、軸、y y軸、軸、z z軸的平面軸的平面(yz(yz平面、平面、zxzx平面、平面、xyxy平面平面) )內(nèi)作用的剪切力。內(nèi)作用的剪切力。d dijij的符號(hào)的符號(hào) 電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。壓電方程：壓電方程：壓電材料在外力作用下產(chǎn)生的壓電材料在外力作用下產(chǎn)生的 表面電荷通常用壓電方程表示表面電荷通常用壓電方程表示 iijjiijjqdQd F或武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可

5、由下列方程組決定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方程組決定 111112213314415516622112222332442552663311322333344355366qddddddqddddddqdddddd壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示 111213141516212223242526313233343536ijddddddddddddddddddd武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)用三根互相垂直的軸天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶

6、體學(xué)用三根互相垂直的軸來(lái)表示，來(lái)表示， Z ZZ Z軸軸光軸，光軸， X XX X軸軸電軸，經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸電軸，經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸 Y YY Y軸軸機(jī)械軸，與機(jī)械軸，與X XX X軸和軸和Z ZZ Z軸同時(shí)垂直軸同時(shí)垂直5.2 5.2 壓電材料和它的主要特性壓電材料和它的主要特性5.2.1 5.2.1 石英晶體石英晶體1.1.石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)沿電軸沿電軸X XX X方向的力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)方向的力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸Y YY Y方向

7、的力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng)方向的力作用下產(chǎn)生的壓電效應(yīng) 沿光軸沿光軸Z ZZ Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。只在垂直于只在垂直于X X軸的平面上積聚電荷軸的平面上積聚電荷武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院天然石英晶體外形天然石英晶體外形武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 從石英晶體切下晶體切片后，在其垂直從石英晶體切下晶體切片后，在其垂直X X軸方向的兩個(gè)表面用真軸方向的兩個(gè)表面用真空鍍膜或沉銀法得到兩個(gè)電極面空鍍膜或沉銀法得到兩個(gè)電極面。雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院縱向壓電效應(yīng)：縱向壓電效應(yīng)：當(dāng)

8、晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X X軸方向的壓應(yīng)力軸方向的壓應(yīng)力X X作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形, , 并發(fā)生極化并發(fā)生極化的現(xiàn)象的現(xiàn)象1111XXXFPddlbFX+ + + + XFX + + + +X注：按前述坐標(biāo)系為左旋石英晶體，右旋石英注：按前述坐標(biāo)系為左旋石英晶體，右旋石英晶體的結(jié)構(gòu)與左旋石英晶體成鏡像對(duì)稱，壓電晶體的結(jié)構(gòu)與左旋石英晶體成鏡像對(duì)稱，壓電效果極性相反。效果極性相反。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院橫向壓電效應(yīng)：橫向壓電效應(yīng)：當(dāng)晶片作用力是沿著機(jī)械軸的當(dāng)晶片作用力是沿著機(jī)械軸的方向時(shí)，晶片將產(chǎn)生寬度方向的變形方向時(shí)，晶片將產(chǎn)生寬度方向的

9、變形, , 并發(fā)生并發(fā)生極化的現(xiàn)象則為橫向壓電效應(yīng)。其電荷仍在與極化的現(xiàn)象則為橫向壓電效應(yīng)。其電荷仍在與X X軸垂直平面上出現(xiàn)，軸垂直平面上出現(xiàn)，+ + + + + + +FYFYXX根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：d d1111= =d d1212武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 產(chǎn)生壓電效應(yīng)時(shí)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之產(chǎn)生壓電效應(yīng)時(shí)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之 間呈線性關(guān)系；事實(shí)表明，逆壓電效應(yīng)時(shí)兩者也成線性關(guān)系間呈線性關(guān)系；事實(shí)表明，逆壓電效應(yīng)時(shí)兩者也成線性關(guān)系 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晶體在哪個(gè)

10、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)；電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 此外，石英晶體在切向力作用下也會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)此外，石英晶體在切向力作用下也會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(a) 硅氧離子在硅氧離子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影等效為正六邊形排列的投影2.2.石英晶體產(chǎn)生壓電壓電效應(yīng)的機(jī)理石英晶體產(chǎn)生壓電壓電效應(yīng)的機(jī)理(b)(a)+-YXXY+武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 當(dāng)外力當(dāng)外力0 0時(shí)，正、負(fù)離子分布在正六邊形頂角上，時(shí)，正、

11、負(fù)離子分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120120夾角的偶極矩夾角的偶極矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，此時(shí)，此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X X方向的壓力（方向的壓力（F FX X000，在，在Y Y、Z Z方向上的分量為方向上的分量為（P1+P2+P3P1+P2+P3）Y Y=0 =0 （P1+P2+P3P1+P2+P3）Z Z=0=0 因此，在因此，在X X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y Y、Z Z軸方向軸方向則不出

12、現(xiàn)電荷。則不出現(xiàn)電荷。Y+-X(a) FX=0P1P2P3(b) FX0FXXY+FX+-P1P2P3武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 在在X X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y Y、Z Z方向則不出現(xiàn)電荷。它在方向則不出現(xiàn)電荷。它在X X方向產(chǎn)方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而生正壓電效應(yīng)，而Y Y、Z Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 晶體在晶體在Y Y軸方向力軸方向力F FY Y作用下的情況與作用下的情況與F FX X相似。當(dāng)相似。當(dāng)F FY Y0 0時(shí)，晶體的形變時(shí)，晶體的形變與與F FX X00相似；當(dāng)相似；當(dāng)F FY Y0 0時(shí)相似。由此可見，晶體在

13、時(shí)相似。由此可見，晶體在Y Y（即機(jī)械軸）方向的（即機(jī)械軸）方向的力力F FY Y作用下，作用下，使它在使它在X X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在，在Y Y、Z Z方向則不產(chǎn)生壓電效方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。應(yīng)。 Y+-X-+FXFXP2P3P1+（P1+P2+P3）X00），），使其受到壓縮，此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為使其受到壓縮，此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為 晶體在晶體在Z Z軸方向力軸方向力F FZ Z的作用下，不改變晶體的晶格結(jié)構(gòu)，所以，的作用下，不改變晶體的晶格結(jié)構(gòu)，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。所以沿正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。所以沿Z Z( (

14、即光即光軸軸) )方向的力方向的力F FZ Z作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5.2.2 5.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)當(dāng)作用力沿極化方向時(shí)，在極化面上出現(xiàn)電荷：當(dāng)作用力沿極化方向時(shí)，在極化面上出現(xiàn)電荷：FdQ33d d3333壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)。 當(dāng)作用力垂直極化方向時(shí)，在極化面上出現(xiàn)電荷：當(dāng)作用力垂直極化方向時(shí)，在極化面上出現(xiàn)電荷： FSSdFSSdQyxyx3132SxSx極化面的面積；極化面的面積；S

15、ySy受力面的面積受力面的面積 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2 2壓電陶瓷壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理壓電陶瓷壓電效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它結(jié)構(gòu)。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(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶疇在晶體上雜亂分布，它們的極化

16、效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度是以陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的形式表現(xiàn)出來(lái)，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。而在陶瓷片的電的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。而在陶瓷片的電極面上吸附來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛極面上吸附來(lái)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，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以陶瓷片對(duì)外部呈

17、現(xiàn)帶電性外界的作用。所以陶瓷片對(duì)外部呈現(xiàn)帶電性 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極極化方向極化方向武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮，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。因此，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。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀( (這

18、是一個(gè)膨脹過程這是一個(gè)膨脹過程) )，片內(nèi)的正、負(fù)電，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷之間的距離變大，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。這種現(xiàn)象就是陶瓷的正壓電效應(yīng)。荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就是陶瓷的正壓電效應(yīng)。 極化方向極化方向F武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片

19、內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方形變。同理，如果外加電場(chǎng)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)橄虍a(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，就是逆壓電效應(yīng)。機(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。 極化方向電場(chǎng)方向武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5.2.3 5.2.3 壓電材料的主要特性壓電材料的主要特性壓電材料主要特性壓電材料主要特性： 轉(zhuǎn)換性能。要

20、求具有較大壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。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。點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。 時(shí)間穩(wěn)定

21、性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（1 1）壓電晶體）壓電晶體 石英晶體（石英晶體（SiOSiO2 2） 是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化， 在在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)降钱?dāng)?shù)?73時(shí)，時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的它完全失去了壓電特性，這

22、就是它的居里點(diǎn)居里點(diǎn)。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。或要求較高的傳感器中。 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，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)石其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等

23、）相差很大。在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體 屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 64H4H2 2O)O)，酒石酸乙烯二銨，酒石酸乙烯二銨(C(C4 4H H4 4N N2 2O O6 6，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱EDT)EDT)，酒石酸二鉀，酒石酸二鉀(K(K2 2C C2 2H H4 4O O6 6H H2 2O O，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱DKT)DKT)，硫酸鋰，硫酸鋰(Li(Li2 2SOSO

24、4 4H H2 2O)O)。屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀。屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀(KH(KH2 2POPO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱KDP)KDP)，磷酸二，磷酸二氫氨氫氨(NH(NH4 4H H2 2POPO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ADP)ADP)，砷酸二氫鉀，砷酸二氫鉀(KH(KH2 2AsOAsO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱KDA)KDA)，砷酸二氫氨，砷酸二氫氨(NH(NH4 4H H2 2AsOAsO4 4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ADA)ADA)。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2. 2.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（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸

25、鋇（）是由碳酸鋇（BaCOBaCO3 3）和二氧化鈦（和二氧化鈦（TiOTiO2 2）按）按1 1：1 1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。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5050倍）。倍）。不足之處是居里溫度低（不足之處是居里溫度低（120120），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。(2)(2) 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZTPZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3組成的固溶體組成的固溶

26、體PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它與鈦酸。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300300以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響以上，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。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。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)

27、電工程學(xué)院(3)(3)壓電聚合物壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVFPVF2 2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜聚合物薄膜，這，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子子鏈軸鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子自發(fā)極化偶極子。當(dāng)。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子在膜

28、厚方向加直流高壓電場(chǎng)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(fù)合材料陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF(PVF2 2PZT)PZT)。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板用于波形分析及報(bào)警的高分

29、子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器壓電式腳踏報(bào)警器武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)）武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（4 4）壓電半導(dǎo)體材料）壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnOZnO、CdS CdS 、ZnO ZnO 、CdTeCdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnOZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。(5)(5)鈮酸鹽系壓電陶瓷。鈮酸鹽系壓電陶瓷

30、。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5.3 5.3 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式5.3.1 5.3.1 壓電元件的基本變形方式壓電元件的基本變形方式1.對(duì)能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體變形方式對(duì)能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體變形方式：(1)厚度變形厚度變形（TE方式方式）：）：利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng) Qx=d11Fx 或或 qx= d11x(2)長(zhǎng)度變形長(zhǎng)度變形（LE方式方式）：）：利用石英晶體的橫向壓電效應(yīng)利用石英晶體的橫向壓電效應(yīng) Qy=d12FySxx /Syy 或或 qx= d12y武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(3)面

31、剪切變形面剪切變形（ FS (Face shear)方式方式）：）： qx= d14 yz (X切晶體切晶體) qy= d25 xy (Y切晶體切晶體)(5)彎曲變形彎曲變形 （BS (Bending shear)方式方式）(4(4）厚度剪切變形（厚度剪切變形（TSTS ( (thickness shear)thickness shear)方式）：方式）： qy= d26 xy ( (Y Y切晶體切晶體) )(a)(a)厚度變形厚度變形 (b)(b)長(zhǎng)度變形長(zhǎng)度變形 (c)(c)面剪切變形面剪切變形 (d)(d)厚度剪切變形厚度剪切變形 (e)(e)體積變形體積變形武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢

32、理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 由于由于x=y=z= ，且且d31=d32 ， 所以所以： qx=(2d31+d33)2.壓電陶瓷的變形方式壓電陶瓷的變形方式(1)厚度變形厚度變形（TE方式方式）：）： Q=d33F(2)長(zhǎng)度變形長(zhǎng)度變形（LE方式方式）：）： Q=-d32FSX/SY=-d31FSX/SY(3)體積變形方式體積變形方式（VE :volume expansion方方式式）：）：qx= d31x+ d32y + d33z武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5.3.2 5.3.2 壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式（a）壓電晶片的并聯(lián)壓電晶片的并聯(lián) （b）壓電晶片的串聯(lián)壓電晶片

33、的串聯(lián) 2 2QQUUCC并并并，并聯(lián)并聯(lián): : Q串=Q，U串=2U，C串=C/2串聯(lián)串聯(lián): :在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷量大、本身電容大、時(shí)間在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷量大、本身電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜用測(cè)量慢信號(hào)并且以電荷作為輸出量的情況。而常數(shù)大，適宜用測(cè)量慢信號(hào)并且以電荷作為輸出量的情況。而串聯(lián)接法輸出電壓大、電容小，適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)、串聯(lián)接法輸出電壓大、電容小，適宜用于以電壓作為輸出信號(hào)、并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓電晶片受外力作用產(chǎn)生極化現(xiàn)象時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反

34、電量相等的電荷。因此壓電傳感器可以看作一個(gè)靜電發(fā)生器。同時(shí)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器。 UQCa0raSSChh aQUC5.4 5.4 等效電路與測(cè)量電路等效電路與測(cè)量電路電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器電容器電容器武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路；也可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的并聯(lián)電路。 QCaUaUaQ/ CaQ UaCaCa電壓等效電路電壓等效電路 電荷等效電路電荷等效電路傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否則電

35、路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)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(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容?？梢?，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(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保持在1013以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試

36、系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 C Ci i 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容; ;C Cc c 連線電容連線電容; ;R Ra a傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻; ;R Ri i前置放大器輸入電阻前置放大器輸入電阻電壓源等效電路電壓源等效電路UCaRaCcRiCiCaRaCcRiCiQ電荷源等效電路電荷源等效電路武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓電式傳感器的靈敏度：壓電式傳感器的靈敏度：（1 1）電壓靈敏度電壓靈敏度，K Ku u= =U UF F，它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；，它表示單位

37、力所產(chǎn)生的電壓；（2 2）電荷靈敏度電荷靈敏度，K Kq q= =Q QF F，它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。，它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。它們之間的關(guān)系為：它們之間的關(guān)系為：aquC/KK 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5.4.2 5.4.2 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：u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；u放大壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)。放大壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)。前置放大器形式：u電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸電

38、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；出電壓）成正比；u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。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1 1、電壓前置放大器、電壓前置放大器ACaCRUiU0(b)UaiaiaRRRRRC=Cc+CiACaRaRiCiCcU0Ua(a)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院tFFmsin設(shè)壓電元件所受作用力設(shè)壓電元件所受作用力tUUmasinaijiCCRjRjFdU1根據(jù)電路定律可得放大器輸入端的電壓根據(jù)電路定律可得放大器輸入端的電壓U Ui i電壓幅值為電壓幅值為則壓電元件上產(chǎn)生

39、的電壓值為則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值為amijamCFdCQU武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院U Ui i的幅值的幅值icaCCCRarctan2輸入電壓與作用力之間的相位差輸入電壓與作用力之間的相位差為為/01，即作用力變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)。前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為/03，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明，在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。 icamijmijimCCCFdCRFdCU1)(112222)(1icamijimCCCRRFdU當(dāng)當(dāng)C RC R無(wú)窮大，或者無(wú)窮大，或者 足夠高時(shí)

40、，足夠高時(shí)，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院令令n=1/=1/R(Ca+Cc+Ci)，n稱為系統(tǒng)的固有頻率稱為系統(tǒng)的固有頻率通常我們令通常我們令=R(Ca+Cc+Ci)，稱為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)稱為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（1 1） =0=0時(shí)，時(shí)，U Uimim=0=0，說(shuō)明壓電傳感器不能測(cè)靜態(tài)量。，說(shuō)明壓電傳感器不能測(cè)靜態(tài)量。（2 2）當(dāng)）當(dāng)CRCR11時(shí)，時(shí)，U Uimim與頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明壓電式傳感器的高與頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明壓電式傳感器的高頻響應(yīng)相當(dāng)好，這是壓電式傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。頻響應(yīng)相當(dāng)好，這是壓電式傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

41、（3 3）如果被測(cè)物理量是緩慢變化的信號(hào)（）如果被測(cè)物理量是緩慢變化的信號(hào)（ 很小），為了滿足很?。瑸榱藵M足CR1CR1 ，必須盡量提高，必須盡量提高CRCR。但提高電容但提高電容C C會(huì)降低測(cè)試的靈敏度，會(huì)降低測(cè)試的靈敏度，所以可行的辦法是提高負(fù)載電阻所以可行的辦法是提高負(fù)載電阻R Ri i. .（4 4）為了滿足阻抗匹配的要求，壓電式傳感器一般都采用專門）為了滿足阻抗匹配的要求，壓電式傳感器一般都采用專門的前置放大器。電壓前置放大器（阻抗變換器）因其電路不同的前置放大器。電壓前置放大器（阻抗變換器）因其電路不同而分為幾種型式，但都具有很高的輸入阻抗（而分為幾種型式，但都具有很高的輸入阻抗

42、（10109 9以上）和很以上）和很低的輸出阻抗（小于低的輸出阻抗（小于10102 2）。）。 222)(1icamijimCCCRRFdUicamijmijimCCCFdCRFdCU1)(112武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 （5 5）電壓前置放大器電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的）電壓前置放大器電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大。因?yàn)椋?dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，影響較大。因?yàn)椋?dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，C Cc c也將改變，因而也將改變，因而放大器的輸入電壓放大器的輸入電壓U Uimim也隨之變化，進(jìn)而使前置放大器的也隨之變化，進(jìn)而使前置放大器的輸出電壓改變。輸出電壓改變。因此，壓電式傳感器與

43、前置放大器之間的連接電纜不能隨意更換。如有變化時(shí)，必須重新校正其靈敏度，否則將引入測(cè)量誤差。解決電纜分布電容問題的辦法是將放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器，如圖 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2 2、電荷前置放大器、電荷前置放大器電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器，其等效電路如圖所示。若放大器的開環(huán)增益A足夠大，則放大器的輸入端a點(diǎn)的電位接近于“地”電位；并且由于放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，放大器的輸入阻抗很高。所以放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路，電荷Q只對(duì)反饋電容Cf充電，充電電壓接近于放大器的輸出電壓電荷放大器能將高內(nèi)阻的

44、電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此它也能起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗可高達(dá)10101012，而輸出阻抗可小于100。fcCQuUf/0武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1111ffffCA CARR電荷放大器通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電荷放大器通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻電阻Rf=10Rf=108 810101010，其功能是提供直流反饋，以提，其功能是提供直流反饋，以提高電荷放大器工作穩(wěn)定性和減小零漂。高電荷放大器工作穩(wěn)定性和減小零漂。壓電式傳感器與電荷放大器連接的基本電路如下壓電式傳感器與電荷放大器連接的基本電路如下武漢理工大

45、學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 因此討論如下。因此討論如下。（1 1）當(dāng)）當(dāng)A A足夠大，且頻率足夠高時(shí)，滿足足夠大，且頻率足夠高時(shí)，滿足(1+A)Cf （Ca+Cc），），1/(1+A)Rf1/Ra，和，和Cf 1/Rf，放大器輸出電壓即為，放大器輸出電壓即為0fQUC可見輸出電壓只取決于輸入電荷Q和反饋電容Cf，改變Cf的大小即可得到所需的電壓輸出。在電荷放大器的實(shí)際電路中，考慮到被測(cè)物理量的不同量程，以及后級(jí)放大器不致因輸入信號(hào)太大而引起飽和，反饋電容Cf的容量是可調(diào)的，一般在100104pF范圍之間根據(jù)等效電路得放大器輸出為根據(jù)等效電路得放大器輸出為01111aCfafj QA

46、UAjCCA CRR武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電荷放大器通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻Rf=1081010，其功能是提供直流反饋，以提高電荷放大器工作穩(wěn)定性和減小零漂輸出電壓與反饋網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)Cf 、Rf和傳感器信號(hào)頻率有關(guān)，其幅值為:01111aCfafj QAUAjCCA CRR可變?yōu)榭勺優(yōu)? :01111ffffjQAjQUAjA CjCRR 22201ffC)R/(QU（2 2）當(dāng)放大倍數(shù)）當(dāng)放大倍數(shù)A A足夠大，但工作頻率較低時(shí)，足夠大，但工作頻率較低時(shí)，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 當(dāng)當(dāng)1/1/R Rf f= =CCf f時(shí)，有

47、時(shí)，有 2ofQUC此時(shí)放大器輸出電壓僅為高頻時(shí)輸出的此時(shí)放大器輸出電壓僅為高頻時(shí)輸出的 ，由此可得，由此可得電荷放大器增益下降電荷放大器增益下降3dB3dB的下限截止頻率為的下限截止頻率為: :1/2ffLCRf21以常常選用的以常常選用的HzfRpFCLff016. 010,100010為例，說(shuō)明電荷放大器的低頻響應(yīng)也是十分良好的說(shuō)明電荷放大器的低頻響應(yīng)也是十分良好的武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院低頻時(shí)，輸出電壓與輸入電荷之間的相位差為低頻時(shí)，輸出電壓與輸入電荷之間的相位差為 在截止頻率在截止頻率f fL L處處 =45=45。)CR/arctan()CR/arctan(

48、ffff11武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院5.55.5壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用5.5.15.5.1壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)，占所有加速度傳感器的80以上。因其固有頻率高，有較好的頻率響應(yīng)(幾千赫至幾十千赫)，如果配以電荷放大器，低頻響應(yīng)也很好(可低至零點(diǎn)幾赫)。另外，壓電式傳感器體積小、重量輕。缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度。 1 1結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)形式主要有結(jié)構(gòu)形式主要有 壓縮型、壓縮型、 剪切型剪切型 復(fù)合型。復(fù)合型。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 1 1）壓縮式）壓縮式武漢理工大學(xué)

49、機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 1. 1.靈敏度靈敏度 電壓靈敏度電壓靈敏度: : 電荷靈敏度電荷靈敏度: : 因?yàn)橐驗(yàn)? : 所以所以: :21()aVUKV sma21()qQKC smaaaQUCqVaKK C武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 由質(zhì)量塊上的力與加速度的關(guān)系由質(zhì)量塊上的力與加速度的關(guān)系: : F=ma ( (N N) ) 以及以及: : Q=d33F 可知壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度和電壓靈敏度可知壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度和電壓靈敏度: :2133()qKdm C s m213 3()VadmKV s mC不宜增大不宜增大M M來(lái)提高靈敏度來(lái)提

50、高靈敏度武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2.2.動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性輸入量輸入量為被測(cè)加速度為被測(cè)加速度 , ,輸出量輸出量為質(zhì)量塊與被測(cè)物為質(zhì)量塊與被測(cè)物間的相對(duì)位移間的相對(duì)位移xm-xax 當(dāng)作用于質(zhì)量塊上的力平衡時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程式當(dāng)作用于質(zhì)量塊上的力平衡時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程式: :22dd()()0ddmmmxxxmck xxtt武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院根據(jù)二階傳感器頻響特性分析方法，可得壓電式加速度傳感器根據(jù)二階傳感器頻響特性分析方法，可得壓電式加速度傳感器的幅頻特性和相頻特性分別為：的幅頻特性和相頻特性分別為：nkm固有頻率；固有頻率；cmk阻尼比；阻

51、尼比；2n2222nn114mxxx n2n2arctan1 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院y()mFkxx 由于質(zhì)量塊與振動(dòng)體之間的相對(duì)位移由于質(zhì)量塊與振動(dòng)體之間的相對(duì)位移( (x xm m- -x x) )就是壓電元件就是壓電元件受到作用力后產(chǎn)生的變形量，因此，在壓電元件的線性彈性范受到作用力后產(chǎn)生的變形量，因此，在壓電元件的線性彈性范圍內(nèi)，有圍內(nèi)，有: :式中：式中：F F為作用在壓電元件上的力；為作用在壓電元件上的力；k ky y為壓電元件的彈性系數(shù)。為壓電元件的彈性系數(shù)。 y()mQd Fd kxx而壓電片表面所產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，即而壓電片表面所產(chǎn)生的電荷

52、量與作用力成正比，即: :2yn2222nn14d kQx 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院x 此時(shí)傳感器的電荷靈敏度此時(shí)傳感器的電荷靈敏度Kq =Q/近似為一常數(shù)。即在這一頻率范圍內(nèi)，靈敏度基本上不隨頻率近似為一常數(shù)。即在這一頻率范圍內(nèi)，靈敏度基本上不隨頻率變化而變化。這一頻率范圍就是傳感器的理想工作范圍。變化而變化。這一頻率范圍就是傳感器的理想工作范圍。 對(duì)于與電荷放大器配合使用的情況，傳感器的低頻響應(yīng)受對(duì)于與電荷放大器配合使用的情況，傳感器的低頻響應(yīng)受電荷放大器的電荷放大器的3dB3dB下限截止頻率的限制。而一般電荷放大器下

53、限截止頻率的限制。而一般電荷放大器的的f fL L可低至可低至0.3Hz0.3Hz甚至更低，因此當(dāng)壓電式傳感器與電荷放大甚至更低，因此當(dāng)壓電式傳感器與電荷放大器配合使用時(shí)，低頻響應(yīng)很好，可以測(cè)量接近靜態(tài)變化非常器配合使用時(shí)，低頻響應(yīng)很好，可以測(cè)量接近靜態(tài)變化非常緩慢的物理量。緩慢的物理量。2yn/Qd kx當(dāng)當(dāng)很小時(shí)，很小時(shí)，n武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院振動(dòng)頻率上限取振動(dòng)頻率上限取 ，在此區(qū)域，傳感器的靈敏度，在此區(qū)域，傳感器的靈敏度基本不隨頻率變化而變化。由于傳感器的固有頻率相當(dāng)高基本不隨頻率變化而變化。由于傳感器的固有頻率相當(dāng)高( (一般可達(dá)一般可達(dá)3030 kHzk

54、Hz甚至更高甚至更高) )，因此，它的測(cè)量頻率上限可達(dá)，因此，它的測(cè)量頻率上限可達(dá)幾千赫，甚至達(dá)十幾千赫。而壓電式傳感器的高頻響應(yīng)非常幾千赫，甚至達(dá)十幾千赫。而壓電式傳感器的高頻響應(yīng)非常好。好。n(1/51/3)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓縮式的壓電式加速度傳感器的其它結(jié)構(gòu)壓縮式的壓電式加速度傳感器的其它結(jié)構(gòu) (a)a)中央安裝壓縮式中央安裝壓縮式 (b)(b)隔離基座壓縮式隔離基座壓縮式 (C) (C) 倒掛中心壓縮型倒掛中心壓縮型武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2 2）剪切型）剪切型 與壓縮式加速度傳感器與壓縮式加速度傳感器相比，剪切式加速度傳感相比

55、，剪切式加速度傳感器是一種很有發(fā)展前途的器是一種很有發(fā)展前途的傳感器，并有替代壓縮式傳感器，并有替代壓縮式的趨勢(shì)。的趨勢(shì)。(a) (a) 環(huán)形環(huán)形剪切式結(jié)構(gòu)剪切式結(jié)構(gòu) (b) (b) 扁環(huán)形剪切式結(jié)構(gòu)扁環(huán)形剪切式結(jié)構(gòu)(c) H(c) H形剪切式結(jié)構(gòu)形剪切式結(jié)構(gòu) (d) (d) 三角形剪切式結(jié)構(gòu)三角形剪切式結(jié)構(gòu)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院3 3）復(fù)合型）復(fù)合型(1)(1)剪切壓縮復(fù)合型剪切壓縮復(fù)合型 (a) (a) 斷面圖斷面圖 (b) X(b) X和和Y Y方向加速度檢測(cè)原理圖方向加速度檢測(cè)原理圖 (c) Z(c) Z方向加速度檢測(cè)原理圖方向加速度檢測(cè)原理圖一種壓電式三向加速度傳感器斷面圖一種壓電式三向加速度傳感器斷面圖 (2) (2) 組合一體化壓電加速度傳感器組合一體化壓電加速度傳感器（3 3）彎曲型壓電加速度傳感器）彎曲型壓電加速度傳感器武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓電加速度傳感器實(shí)物圖壓電加速度傳感器實(shí)物圖武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院壓電加速度傳感器的安裝及使用壓電加速度傳感器的安裝及使用 a