壓電式傳感器

1、2022-1-11第八章第八章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電材料壓電材料壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線路壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線路壓電式傳感器：壓電式傳感器：加速度傳感器加速度傳感器力傳感器力傳感器壓力傳感器壓力傳感器壓電式傳感器的誤差分析壓電式傳感器的誤差分析研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容：2022-1-128.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)：順壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，在受到某些電介質(zhì)，在受到特定方向特定方向的外力作的外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)當(dāng)去掉外力后，又

2、重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)當(dāng)在電介質(zhì)極化方向極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”, ,又稱為電致又稱為電致伸縮效應(yīng)伸縮效應(yīng)-驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器。F FF F極化面極化面Q Q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機(jī)械能機(jī)械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性202

3、2-1-13壓電傳感器的特點(diǎn)壓電傳感器的特點(diǎn) 1 1）磁電式速度傳感器響應(yīng)頻率范圍窄；）磁電式速度傳感器響應(yīng)頻率范圍窄；2 2）磁電式機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞；）磁電式機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞；3 3）磁電式傳感器質(zhì)量大，造成系統(tǒng)附加質(zhì)量大。）磁電式傳感器質(zhì)量大，造成系統(tǒng)附加質(zhì)量大。壓電振動(dòng)與磁電式振動(dòng)傳感器的比較壓電振動(dòng)與磁電式振動(dòng)傳感器的比較：力力敏感傳感器，可測(cè)力、壓力、加速度等敏感傳感器，可測(cè)力、壓力、加速度等雙向雙向有源有源傳感器傳感器體積小、重量輕體積小、重量輕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠頻帶寬頻帶寬2022-1-14 各種小巧的壓力傳感器各種小巧的壓力傳感器 封裝壓力傳感器的外形

4、壓力傳感器的外形 壓力變送器部件壓力變送器部件 壓力變送器壓力變送器 2022-1-15一、一、石英晶體（石英晶體（SiO2)的壓電效應(yīng)的壓電效應(yīng)特點(diǎn)：特點(diǎn)：石英晶體是各向異性晶體石英晶體是各向異性晶體晶體分右（左）旋晶體分右（左）旋外形規(guī)則外形規(guī)則xyz2022-1-16石英晶體的三個(gè)晶軸石英晶體的三個(gè)晶軸光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過(guò)沒有雙軸）：光沿該方向通過(guò)沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。電軸（電軸（X軸）：經(jīng)過(guò)晶體棱線，垂直于該軸的表面軸）：經(jīng)過(guò)晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。上壓電效應(yīng)最強(qiáng)

5、。機(jī)械軸（機(jī)械軸（Y軸）：垂直于軸）：垂直于XZ面，在電場(chǎng)作用下，面，在電場(chǎng)作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯。該軸方向的機(jī)械變形最明顯。2022-1-17石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理電偶極矩電偶極矩P=qL, q為電荷量為電荷量, L為正負(fù)電荷之間距離。為正負(fù)電荷之間距離。2O2-Si4+L2022-1-18+-XYP1P2P30321ppp當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1、 P2、P3。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合。此時(shí)正負(fù)電荷重心

6、重合, 電偶極矩的矢量和等于電偶極矩的矢量和等于零零, 即即P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。即呈中性。2022-1-19受到受到X方向的力方向的力縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P30)(321xppp0)(321yppp0)(321zppp晶體沿晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, 正負(fù)離子的相對(duì)正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。位置也隨之變動(dòng)。 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合。此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合。電偶極矩在電偶極矩在x方向上的分量由于方向上的分量由于P3的減小和的減小和P1、P2的增加而不等于零的增加而不等于零, 在在x軸

7、的正方向出現(xiàn)正電荷軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在電偶極矩在y方向上的分量仍為零方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí)當(dāng)作用力方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。2022-1-110受到受到Y(jié)方向的力方向的力橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)0)(321xppp0)(321yppp0)(321zppp+-XYP1P2P3當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)軸方向的壓力作用時(shí), P3增大增大, P1、P2 減小。減小。 在垂直在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷軸表面上出現(xiàn)電荷, 它的極性為：它的極性為：x軸正向?yàn)樨?fù)。軸正向?yàn)樨?fù)。 在在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。軸

8、方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí)當(dāng)作用力方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之電荷的極性也隨之改變。改變。 2022-1-111受到受到Z方向的力方向的力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+-XYP1P2P3如果沿如果沿z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在因?yàn)榫w在x方向和方向和y方向所產(chǎn)生的形變完方向所產(chǎn)生的形變完全相同全相同, 所以正負(fù)電荷重心保持重合所以正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明電偶極矩矢量和等于零。這表明沿沿z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 2022-1-112受到三向等壓力受到三向等壓力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生

9、沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+-XYP1P2P3如果沿如果沿x、y、z軸方向施加相同的作用力軸方向施加相同的作用力, 只有體積變化，沒有形變，只有體積變化，沒有形變，正負(fù)電荷重心保持重合正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零，電偶極矩矢量和等于零， 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即沒有體積變形的壓電效應(yīng)。應(yīng)，即沒有體積變形的壓電效應(yīng)。 2022-1-113二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的壓電陶瓷是人工制造的多晶體多晶體壓電材料。如鈦酸壓電材料。如鈦酸鋇鋇(BaTiO(BaTiO3 3) )、鈦酸鉛、鈦酸鉛(PbTiO(PbTiO3 3) )、鋯酸鉛、鋯酸鉛(

10、PbZrO(PbZrO3 3) ) 。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, , 它有一它有一定的極化方向定的極化方向, , 從而存在電場(chǎng)。從而存在電場(chǎng)。 在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí), , 電疇在晶體中雜亂分布電疇在晶體中雜亂分布, , 它們它們的極化效應(yīng)被相互抵消的極化效應(yīng)被相互抵消, , 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性因此原始的壓電陶瓷呈中性, , 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。2022-1-114壓電陶瓷極化處理壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí), 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)電疇的極化方向

11、發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電場(chǎng)方趨向于按外電場(chǎng)方向的排列向的排列, 從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng), 就有更多的電疇更完全就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。 讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度, 即所有電疇極化方即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí), 外電場(chǎng)去掉后外電場(chǎng)去掉后, 電疇的極化方向變化電疇的極化方向變化不大不大, 即剩余極化強(qiáng)度很大即剩余極化強(qiáng)度很大, 這時(shí)的材料才具有壓電特性。這時(shí)的材料才具有壓電特性。 極化方向即外加電場(chǎng)方向，取為極化方向即外加電

12、場(chǎng)方向，取為Z軸方向。軸方向。E2022-1-115壓電效應(yīng)演示壓電效應(yīng)演示2022-1-116三、壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算三、壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算1、壓電效應(yīng)的表達(dá)式：、壓電效應(yīng)的表達(dá)式：jijijdj: j: j j方向的應(yīng)力方向的應(yīng)力d dij ij:j :j方向的力使得方向的力使得i i面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù)面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù) ij ij:j :j方向的力在方向的力在i i面產(chǎn)生的電荷密度面產(chǎn)生的電荷密度iijijAq電荷量：電荷量：i面的面積ij2022-1-117x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在表示晶體的極化方向，即在i i面上

13、產(chǎn)生電面上產(chǎn)生電荷。荷。1 1、2 2、3 3分別表示垂直于分別表示垂直于x x、y y、z z軸的晶片表面軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1j(j=1,2,3,4,5,6):1，2 2，3 3表示沿表示沿x,y,zx,y,z方向作用的單方向作用的單向正應(yīng)力；向正應(yīng)力；4 4，5 5，6 6表示在表示在yz,zx,xyyz,zx,xy平面上承受的剪平面上承受的剪切應(yīng)力切應(yīng)力X0X0切型石英晶體切片的力切型石英晶體切片的力 電分布電分布xz z 3( 1) 2 1 4 6 5( 3 )( 2)(1)(1)(3)(3)(2)(2) i j = d i j j i =1、2、3 j =

14、1、2、3、4、5、6y y2022-1-118壓電特性的矩陣表示壓電特性的矩陣表示654321363534333231262524232221161514131211321dddddddddddddddddd表示壓電元件的能量轉(zhuǎn)換方式；表示壓電元件的能量轉(zhuǎn)換方式；dij的大小表示壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱；的大小表示壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱；若矩陣中某一若矩陣中某一dij=0,則表示在則表示在j方向上的應(yīng)力在方向上的應(yīng)力在i方向上沒有壓電效應(yīng)；方向上沒有壓電效應(yīng)；是選擇轉(zhuǎn)換元件、確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生方向、是選擇轉(zhuǎn)換元件、確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生方向、轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)。轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)。思考：思考：測(cè)量什么？測(cè)量什么？如何

15、測(cè)量？如何測(cè)量？2022-1-119壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式厚度拉（壓）型厚度拉（壓）型長(zhǎng)度拉（壓）型長(zhǎng)度拉（壓）型2022-1-120厚度切變型厚度切變型厚度切變型厚度切變型面面剪切變形剪切變形(d14)xyz+-4變體積型變體積型（三個(gè)正（三個(gè)正應(yīng)力相等應(yīng)力相等，壓電陶，壓電陶瓷有該效瓷有該效應(yīng)）應(yīng)）2022-1-121正壓電效應(yīng)與厚度剪切壓電效應(yīng)比較正壓電效應(yīng)與厚度剪切壓電效應(yīng)比較2022-1-1222、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算在在x面上產(chǎn)生電荷：面上產(chǎn)生電荷：在在 1作用下，產(chǎn)生作用下，產(chǎn)生厚度變形厚度變形（

16、縱向壓電（縱向壓電效應(yīng)）效應(yīng)）lwFdd11111111lwq111111111FdqlwF112022-1-123在在 2作用下，產(chǎn)生長(zhǎng)度變形（橫向壓電效應(yīng)）作用下，產(chǎn)生長(zhǎng)度變形（橫向壓電效應(yīng)）21212dlwdlwq21212121112ddtwFlwq221212,21221212FtldlwtwFdq由石英晶體正六邊形的對(duì)稱性：由石英晶體正六邊形的對(duì)稱性：21112Ftldq2022-1-124在在 3作用下，沒有壓電效應(yīng)作用下，沒有壓電效應(yīng)031313d013d即：實(shí)驗(yàn)研究，在剪切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究，在剪切應(yīng)力 4、 5 、 6作用下：作用下：41414d051515d061616d015

17、d即：016d即：2022-1-125015d016d在在x面上產(chǎn)生電荷：面上產(chǎn)生電荷：1412111414211111ddd11111d21212d41414d013d2022-1-126實(shí)驗(yàn)研究，在實(shí)驗(yàn)研究，在y面上產(chǎn)生電荷面上產(chǎn)生電荷61151462652522dddd其它方向的壓電系數(shù)為：其它方向的壓電系數(shù)為：0232221ddd正應(yīng)力：024d剪切應(yīng)力：在在Z面上產(chǎn)生電荷面上產(chǎn)生電荷030363534333231dddddd2022-1-12765432126251412113210000000000000ddddd石英晶體的壓電方程石英晶體的壓電方程2022-1-128654321

18、111414111132100000020000000dddddNcdNcd/1073. 0/1031. 212141211獨(dú)立壓電常數(shù)：2022-1-129石英晶體的基本變形形式石英晶體的基本變形形式厚度厚度受力變形受力變形（d11)長(zhǎng)度長(zhǎng)度受力變形受力變形（d12)xyz11+-zxy22+-1112dd2022-1-130面面剪切變形剪切變形(d14)xyz+-4面面剪切變形剪切變形(d25)yxz+-51425dd2022-1-131厚度厚度剪切變形剪切變形(d26)yxz6+-11262dd2022-1-1323、壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面、壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算電荷計(jì)算zx

19、y123z:極化方向；x、y可以互換。2022-1-1331）在）在1、 2、 3作用下，作用下，z面產(chǎn)生電荷面產(chǎn)生電荷(d310, d320, d330 ）xyz123可以互換的方向：可以互換的方向：x(或或1)和和y（或（或2）；）；推論：推論：x、y方向的剪應(yīng)力可以互換，即數(shù)字方向的剪應(yīng)力可以互換，即數(shù)字4、5。2022-1-1342）在）在4作用下，在作用下，在y面產(chǎn)生電面產(chǎn)生電荷荷(d240）厚度切變型厚度切變型yz42022-1-1353）在）在5作用下，在作用下，在x面產(chǎn)生電面產(chǎn)生電荷荷(d150）厚度切變厚度切變xz52022-1-136壓電陶瓷壓電方程壓電陶瓷壓電方程6543

20、2133323124153210000000000000ddddd2022-1-137654321333333151532100041. 041. 00000000000ddddd)/(10250)/(107841. 0)/(10190122415123332311233NcddNcdddNcd獨(dú)立壓電常數(shù)：2022-1-138壓電陶瓷變形形式：壓電陶瓷變形形式：厚度變形：厚度變形：d33長(zhǎng)度變形：長(zhǎng)度變形： d31 、d32厚度剪切變形：厚度剪切變形： d24、 d15體積變形：體積變形：d31 、d32 、d332022-1-139練習(xí)練習(xí)例1、試敘述石英晶體和壓電陶瓷各具有哪幾種類型試敘

21、述石英晶體和壓電陶瓷各具有哪幾種類型的壓電效應(yīng)，可以制作那種類型的傳感器的壓電效應(yīng)，可以制作那種類型的傳感器？d11d120d1400dij =0000d25d2600000000041. 041. 000000000003333331515ddddd壓電陶瓷2022-1-1408.2 壓電材料壓電材料壓電晶體壓電晶體壓電陶瓷壓電陶瓷高分子壓電材料高分子壓電材料壓電材料：明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功壓電材料：明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料。能材料。性能要求性能要求：大壓電系數(shù)、剛度、電阻率和介：大壓電系數(shù)、剛度、電阻率和介電系數(shù)，高機(jī)械強(qiáng)度、居里點(diǎn)等。電系數(shù)，高機(jī)械強(qiáng)度、居里點(diǎn)等。常用壓電材料：常

22、用壓電材料：2022-1-141一、壓電晶體一、壓電晶體1、石英晶體的幾何切型：、石英晶體的幾何切型：在晶體坐標(biāo)在晶體坐標(biāo)中取某一方位的切割中取某一方位的切割.切族分類X切族:原始位置：厚度方向平行于x軸，長(zhǎng)度方向平行于y軸，寬度方向平行于z軸。Y切族:原始位置：厚度方向平行于y軸，長(zhǎng)度方向平行于x軸，寬度方向平行于z軸。石英石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、鱗酸銨、硫酸鋰等、酒石酸鉀鈉、電氣石、鱗酸銨、硫酸鋰等.2022-1-142X切族X切族的切族的IRE表示方法：表示方法：xyY切族的切族的IRE表示方法：表示方法：yx2022-1-143幾何切型的表示方法：幾何切型的表示方法：/)(ltwxy

23、切型代號(hào)：切型代號(hào)： 表示原始方位表示原始方位晶片旋轉(zhuǎn)角：晶片旋轉(zhuǎn)角：從從x或或y的正的正端看，逆時(shí)端看，逆時(shí)針為針為+，順時(shí)，順時(shí)針為針為-旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸例如：（例如：（xytl)+50/(-500)2022-1-144石英晶體的基本切型石英晶體的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx習(xí)慣表示習(xí)慣表示2022-1-145例例1：（：（yxl)+35015(AT切型）切型）xyzyz35015xyzyz350152022-1-146例例2 （xytl)+50/(-500)(NT切型）：切型）：zyxxyz50zyx500繞厚度軸轉(zhuǎn)繞長(zhǎng)度軸轉(zhuǎn)2022-1-1472、石英晶體的主要性能、石

24、英晶體的主要性能不需要人工極化不需要人工極化沒有熱釋電效應(yīng)沒有熱釋電效應(yīng)介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點(diǎn)溫度高：居里點(diǎn)溫度高：5730 C居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電性能居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電性能的溫度的溫度性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高2022-1-148二、壓電陶瓷二、壓電陶瓷鈦酸鋇鈦酸鋇（BaTiO3） ：1）最早使用；最早使用；2）由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)）由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成；而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N ，是，是石英的幾十倍；石英的幾十倍；4

25、）工作溫度最高只有）工作溫度最高只有80, 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英度都不如石英。鈮酸鋰（鈮酸鋰（LiNbO3)單晶：?jiǎn)尉В?）多疇結(jié)構(gòu)，需要極化處理；）多疇結(jié)構(gòu)，需要極化處理；2）壓電常數(shù)達(dá)）壓電常數(shù)達(dá)80PC/N;3)工作溫度工作溫度760。 2022-1-149壓電陶瓷壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（鋯鈦酸鉛（PZT）：）：(有有4、5、8等多種系等多種系列）列）1）目前普遍使用；）目前普遍使用；2）由鈦酸鋇（）由鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（和鋯酸鉛（PbZrO3）組成；組成；3） d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作溫度）工作溫度250 。性能遠(yuǎn)優(yōu)于

26、鈦酸鋇。性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇。2022-1-150三、聚偏二氟乙烯（三、聚偏二氟乙烯（PVF2) 有機(jī)高分子半晶態(tài)聚合物，定向拉伸后，由有機(jī)高分子半晶態(tài)聚合物，定向拉伸后，由 晶型轉(zhuǎn)化為晶型轉(zhuǎn)化為 晶型，此時(shí)晶型，此時(shí)有壓電效應(yīng)；有壓電效應(yīng)； 壓電常數(shù)在定向拉伸方向最大，壓電常數(shù)在定向拉伸方向最大，d31=20PC/N,垂直于定向拉伸方向的壓電常數(shù)垂直于定向拉伸方向的壓電常數(shù) d32 0.2 d31; 頻響范圍寬，頻響范圍寬，10-5Hz500MHz; 柔軟，加工性能好；柔軟，加工性能好； 聲阻抗與水、人體肌肉接近；聲阻抗與水、人體肌肉接近； 熱穩(wěn)定性好。熱穩(wěn)定性好。cZ聲阻抗，單位：瑞利2022

27、-1-151常用壓電材料的性能參數(shù)比較常用壓電材料的性能參數(shù)比較如果環(huán)境溫度高，宜選擇何種材料？如果環(huán)境溫度高，宜選擇何種材料？如果溫度環(huán)境好，靈敏度要求較高呢？如果溫度環(huán)境好，靈敏度要求較高呢？2022-1-152 8.3 等效電路和測(cè)量電路等效電路和測(cè)量電路晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為：則其電容量為：dACra0力電荷電容器電荷發(fā)生器 A壓電片電極面的面積壓電片電極面的面積; d壓電片的厚度壓電片的厚度; r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。一、等

28、效電路一、等效電路2022-1-153電荷電荷等效電路等效電路aaUCq 電壓等效電路電壓等效電路aaCqU2022-1-154考慮實(shí)際使用的等效電路考慮實(shí)際使用的等效電路Ci特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）有源傳感器；）有源傳感器；2）高阻抗；）高阻抗；3）小功率；小功率；4）信號(hào)微弱。）信號(hào)微弱。2022-1-155二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高, 而輸出功率較小而輸出功率較小 高輸入阻抗的前置放大器高輸入阻抗的前置放大器1）把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗）把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗; 2）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。輸出形式：電壓信號(hào)、電荷

29、信號(hào)輸出形式：電壓信號(hào)、電荷信號(hào)作用作用要求要求2022-1-156前置放大器兩種形式前置放大器兩種形式: 電壓放大器和電荷電壓放大器和電荷放大器。放大器。1、電壓放大器、電壓放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin2022-1-157iaRRR/icicCCCCC/KUaCaRCtFfmsin設(shè)力：aaaCfdCqU33例：應(yīng)用壓電陶瓷的縱向壓電效應(yīng)。例：應(yīng)用壓電陶瓷的縱向壓電效應(yīng)。厚度方向FCdtFCdUamaa3333sin2022-1-158FdCCRjRjUain33)(1)(：前置放大器輸入電壓為前置放大器輸入電壓幅值為：前置放大器輸入電壓幅值為：mainmFdC

30、CRRU332)(1UaCaRCUin)(1)(aaainCCRjRCjUU2022-1-159)(2RCaCarctg輸入電壓與作用力之間的相位差為：輸入電壓與作用力之間的相位差為：理想情況下（輸入電阻理想情況下（輸入電阻Ri 、且無(wú)漏電：、且無(wú)漏電：Ra ）R=Ri|Ra= ,放大器輸入電壓幅值為放大器輸入電壓幅值為：CCFdUamam332)(1)(CCRCCRUUaaaminm頻率特性mainmFdCCRRU332)(12022-1-160)icaaCCCRCCR（2)(1aminmUU)(2arctg令：令：00901.0UinmUam0.51234從幅度從幅度-頻率曲線能頻率曲線能

31、得到什么結(jié)論？得到什么結(jié)論？2022-1-161討論：討論：=0時(shí)（靜態(tài)）時(shí)（靜態(tài)） ，Uinm/Uam=0（輸入電壓為零）（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無(wú)窮大，存在電荷原因：由于等效電阻不可能無(wú)窮大，存在電荷泄漏，所以不能測(cè)量靜態(tài)量。泄漏，所以不能測(cè)量靜態(tài)量。 3（動(dòng)態(tài)），（動(dòng)態(tài)），Uinm/Uam1，接近理想特性。，接近理想特性。一定頻率范圍，輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。一定頻率范圍，輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。一定，一定，越高，響應(yīng)越好。越高，響應(yīng)越好。對(duì)低頻：對(duì)低頻：一定，一定，誤差誤差加大。加大。要求要求要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。輸出電壓靈敏度受到電纜分布

32、電容影響。輸出電壓靈敏度受到電纜分布電容影響。2)(1aminmUU)(2arctg2022-1-162改善低頻特性的措施改善低頻特性的措施：RCCCCRaa、)()(2233)()(1CCRdFUkainm靈敏度：1 RicaaCCCdCCdk3333低頻特性低頻特性和靈敏度和靈敏度要求矛盾要求矛盾2022-1-163kCCCica)()(iaRRR、采取措施：提高絕緣電阻，根據(jù)給定精度合理選采取措施：提高絕緣電阻，根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器的輸入電阻擇電壓放大器的輸入電阻Ri。討論：討論：電路簡(jiǎn)單、可靠、元件少、價(jià)格低電路簡(jiǎn)單、可靠、元件少、價(jià)格低;電纜長(zhǎng)度有限（電纜長(zhǎng)度有限（1.2m

33、),不能更換。不能更換。電壓放大器電路特點(diǎn)：電壓放大器電路特點(diǎn)：不能靠并聯(lián)電容不能靠并聯(lián)電容改善低頻特性。改善低頻特性。2022-1-1642、電荷放大器、電荷放大器具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器fCscCqUUfUscKCfqa2022-1-165ficaCkCCCC)1( ficasrscCkCCCqkkUU)1 ( 當(dāng)開環(huán)增益、輸入電阻和反饋電阻相當(dāng)當(dāng)開環(huán)增益、輸入電阻和反饋電阻相當(dāng)大，大，Cf折算到輸入端后的輸入電容為折算到輸入端后的輸入電容為：開環(huán)增益RfkUscCfCiCcCaq2022-1-166icafCCCCk)1(若：ffscCqC

34、kqkU)1(Conclusions:輸出與電纜電容無(wú)關(guān)輸出與電纜電容無(wú)關(guān)電纜可長(zhǎng)達(dá)電纜可長(zhǎng)達(dá)1km；可更換。可更換。Rf提供直流負(fù)反饋提供直流負(fù)反饋減小零漂、提高穩(wěn)定度。減小零漂、提高穩(wěn)定度?？蓽y(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量：可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量：=RfCf大，可測(cè)很低頻率的信號(hào)。大，可測(cè)很低頻率的信號(hào)。2022-1-167例題：已知電荷放大器的反饋電容例題：已知電荷放大器的反饋電容Cf50pf，輸入電容輸入電容Ci0，反饋電阻，反饋電阻Rf1M ，電纜電，電纜電容容Cc300pf，壓電片的，壓電片的Ca100pf, Ra ,放大器的開環(huán)增益放大器的開環(huán)增益K104，求將放大器理想，求將放大器理想化后引起的誤差？化后引

35、起的誤差？ficascCkCCCqkU)1 ( fscCqU%08.01fcascscscCKCCUUU解：理想情況下，實(shí)際誤差：2022-1-168基座基座壓縮型壓電加速度傳感器壓縮型壓電加速度傳感器 8.4 壓電式傳感器壓電式傳感器8.4.1 壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片壓電片2022-1-169一一 、工作原理、工作原理壓電式加速度傳感器屬于壓電式加速度傳感器屬于慣性式慣性式傳感器。傳感器。測(cè)量時(shí)傳感器基座與構(gòu)件剛性連測(cè)量時(shí)傳感器基座與構(gòu)件剛性連接在一起。接在一起。當(dāng)傳感器受振時(shí)，質(zhì)量塊受到壓當(dāng)傳感器受振時(shí)，質(zhì)量塊受到壓電片的正壓力和慣性力的作用，兩電片的正壓力和

36、慣性力的作用，兩者作用方向相反。者作用方向相反。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)的固有頻率時(shí)，則壓力大小與被測(cè)，則壓力大小與被測(cè)加速度成正比。傳感器輸出電荷也加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。與加速度成正比。2022-1-1702022-1-171 質(zhì)量塊的絕對(duì)位移質(zhì)量塊的絕對(duì)位移x x2 2，激勵(lì)激勵(lì)為為x1 ，質(zhì)量塊相對(duì)位移質(zhì)量塊相對(duì)位移xt 二、頻響特性二、頻響特性受力分析受力分析2002212)(DDDDxxt20022121)(DDDDxxt2002021)(DDDaxtxt-質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器殼體的位移質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器殼體的位移a0

37、 - 被測(cè)物體的振動(dòng)加速度被測(cè)物體的振動(dòng)加速度 - 振動(dòng)體振動(dòng)角頻率振動(dòng)體振動(dòng)角頻率0 - 傳感器固有角頻率傳感器固有角頻率 - 阻尼比阻尼比2022-1-172j)(2)(1)1(02020頻響特性：頻響特性：20020)(2)(1)(jjjaxt202202002/1)1(axt在壓電元件的線彈性工作范圍內(nèi)，有：在壓電元件的線彈性工作范圍內(nèi)，有：tyxkF 作用在壓電元件上的力作用在壓電元件上的力相對(duì)位移2022-1-1732022020330 )(2)(1 /dkaqyFdq33tyxkdq33tyxkF 設(shè)采用厚度拉壓型壓電陶瓷：設(shè)采用厚度拉壓型壓電陶瓷：202202002/1)1(a

38、xtytkdqx33/2022-1-1742022020330 )(2)(1 /dkaqy當(dāng)當(dāng)/ 0相當(dāng)小時(shí)，有：相當(dāng)小時(shí)，有：mdmKdKdKaqyyy333320330)(033madq mdqa330慣性力乘以壓電系數(shù)等于電荷量2022-1-175頻率比頻率比/ 0相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度00.11.04.01.00.12.0幅頻響應(yīng)曲線幅頻響應(yīng)曲線(歸一化曲線）歸一化曲線）10520.7070.50.22022-1-176仿真結(jié)果：仿真結(jié)果：2022-1-177討論：討論：當(dāng)當(dāng)0時(shí)，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)時(shí)，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)由于壓電式傳感器的質(zhì)量小、變形小（剛度由于壓電式傳感

39、器的質(zhì)量小、變形?。▌偠?k 大），大），所以壓電式加速度傳感器的所以壓電式加速度傳感器的0很大很大（頻（頻帶較寬）（一般可達(dá)幾十千赫），所以頻響范帶較寬）（一般可達(dá)幾十千赫），所以頻響范圍寬、高頻響應(yīng)好。圍寬、高頻響應(yīng)好。測(cè)量上限不能取固有頻率，實(shí)際工作頻段取為測(cè)量上限不能取固有頻率，實(shí)際工作頻段取為（1/5） 0左右。左右。低頻響應(yīng)取決于測(cè)量回路低頻響應(yīng)取決于測(cè)量回路，測(cè)量回路的時(shí)間常，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)越大，低頻響應(yīng)越好。數(shù)越大，低頻響應(yīng)越好。2022-1-178壓電元件的組壓電元件的組合方式合方式串聯(lián)串聯(lián);電荷不變電荷不變電壓相加電壓相加電容減小電容減小niCCinUUiQQ/并聯(lián)：并

40、聯(lián)：電壓不變電壓不變電荷相加電荷相加電容相加電容相加inCCinQQiUU2022-1-179三、壓電加速度傳感器常用結(jié)構(gòu)三、壓電加速度傳感器常用結(jié)構(gòu)1、壓縮型、壓縮型質(zhì)量塊質(zhì)量塊外殼外殼壓電元件壓電元件基座基座基于厚度變形基于厚度變形,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；固有頻率較高；固有頻率較高；靈敏度高（靈敏度高（d11、d33較大）較大） ；對(duì)環(huán)境（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、噪聲）對(duì)環(huán)境（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、噪聲）比較敏感。比較敏感。2022-1-180壓電傳感器測(cè)量振動(dòng)的動(dòng)畫演示壓電傳感器測(cè)量振動(dòng)的動(dòng)畫演示2022-1-1812、剪切型、剪切型環(huán)型剪切（壓電元件為柱狀圓環(huán)）環(huán)型剪切（壓電元件為

41、柱狀圓環(huán)）外殼外殼質(zhì)量塊質(zhì)量塊壓電陶瓷元件壓電陶瓷元件中心柱中心柱基座基座膠接膠接2022-1-182xyz44Z極化方向極化方向xy5542424d51515dNpCdd/2502415壓電陶瓷壓電陶瓷2022-1-183三角剪切型三角剪切型預(yù)緊環(huán)壓電元件質(zhì)量塊三角中心柱特點(diǎn)：不用膠接，溫度范圍寬，線性度高。特點(diǎn)：不用膠接，溫度范圍寬，線性度高。2022-1-184H剪切型剪切型1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中心左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中心左右對(duì)稱；2）壓電元件采用多片疊合，提高輸出電荷、電容；壓電元件采用多片疊合，提高輸出電荷、電容；3）可以抑制應(yīng)變、熱感應(yīng)誤差，低頻好，可以抑制應(yīng)變、熱感應(yīng)誤差，低頻好，0.1

42、Hz.特點(diǎn)：特點(diǎn)：壓電元件壓電元件質(zhì)量塊質(zhì)量塊緊固螺栓緊固螺栓螺帽螺帽2022-1-185剪切型總的特點(diǎn)：剪切型總的特點(diǎn)：受環(huán)境影響小受環(huán)境影響小橫向靈敏度小橫向靈敏度小尺寸小、重量輕尺寸小、重量輕靈敏度高靈敏度高頻響高頻響高(a)中心安裝壓縮型中心安裝壓縮型 (b)環(huán)形剪切型環(huán)形剪切型 (c) 三角剪切型三角剪切型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)比比較較2022-1-186產(chǎn)品外形。產(chǎn)品外形。壓電式加速度傳感器與前置放大器集壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起。成在一起。2022-1-1873、三向加速度傳感器、三向加速度傳感器第一組：壓縮型第一組：壓縮型第二組：剪切型第二組：剪切型第三組：剪切型第三組：剪切型

43、預(yù)緊筒預(yù)緊筒壓電元件壓電元件方法：利用三組石英壓電元件方法：利用三組石英壓電元件,共用質(zhì)量塊共用質(zhì)量塊2022-1-188思考思考1：如何實(shí)現(xiàn)三個(gè)壓電片值只對(duì)一個(gè)方向如何實(shí)現(xiàn)三個(gè)壓電片值只對(duì)一個(gè)方向敏感？敏感？思考思考2：分析：分析d25的影響。的影響。(面內(nèi)剪切）面內(nèi)剪切）F1F2F3yx切型切型xy切型切型yx切型切型d26d26d11答：依靠慣性質(zhì)量塊和合理的壓電切型。答：依靠慣性質(zhì)量塊和合理的壓電切型。04024d2022-1-189用于振動(dòng)用于振動(dòng)分析分析 振動(dòng)分析部分工具振動(dòng)分析部分工具：加速度計(jì)、力傳感器加速度計(jì)、力傳感器 2022-1-190HP振動(dòng)分析系統(tǒng)組成振動(dòng)分析系統(tǒng)組成

44、2022-1-1918.4.2 壓電式力和壓力傳感器壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器、單向力傳感器用途舉例：機(jī)床動(dòng)用途舉例：機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量等。態(tài)切削力測(cè)量等。壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：d11、 d33。壓電材料F特點(diǎn)：體積小，重量輕（特點(diǎn)：體積小，重量輕（10g），固有），固有頻率高（大于頻率高（大于50KHz），分辨力高：），分辨力高：103N。2022-1-1922、雙向力傳感器、雙向力傳感器zyxT6T6測(cè)量FZ的石英測(cè)量FX的石英下面的石英：d11,xy切型；上面的石英：d26,yx切型；2022-1-193雙向力傳感器俯視圖雙向力傳感器俯視圖2022-1-1

45、943、三向力傳感器、三向力傳感器FXFZFY2022-1-195三向力傳感器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)加載位置2022-1-196“y”測(cè)量電路改為“3”2022-1-197二、壓力傳感器二、壓力傳感器膜片式壓電壓力傳感器膜片式壓電壓力傳感器PSdq112后座墊圈外殼石英晶片導(dǎo)電片傳力塊膜片石英晶片P2022-1-198預(yù)緊筒加載壓力傳感器預(yù)緊筒加載壓力傳感器芯體絕緣套外殼晶片組電極預(yù)緊筒膜片預(yù)緊方法：擰緊芯體。問題：?jiǎn)栴}：膜片產(chǎn)生彎膜片產(chǎn)生彎曲變形。曲變形。解決方法：解決方法：采用預(yù)緊筒；先采用預(yù)緊筒；先預(yù)緊，后焊接膜預(yù)緊，后焊接膜片。片。2022-1-199F1：石英晶片上受到的力：石英晶片上受到的

46、力F2：預(yù)緊筒圓周受到的力：預(yù)緊筒圓周受到的力晶片組加載板殼體FFF1F221FFF2022-1-1100 xkkF)(21k1：石英晶片組的剛度：石英晶片組的剛度k2：預(yù)緊筒的剛度：預(yù)緊筒的剛度12211111kkkkkFFxkF11xkF22設(shè)計(jì)要求：k2k1。優(yōu)點(diǎn)：1）線性度好；2）利用水冷方式提高工作溫度。2022-1-11012022-1-1102三、壓力傳感器的加速度補(bǔ)償三、壓力傳感器的加速度補(bǔ)償補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法1：減小慣性質(zhì)量：減小慣性質(zhì)量補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法2：加補(bǔ)償石英片：加補(bǔ)償石英片補(bǔ)償晶片附加質(zhì)量塊測(cè)壓晶片組原因：原因：由于加速度的作用，壓電元件上受到與由于加速度的作用，壓電

47、元件上受到與總質(zhì)量成正比的慣性力的作用而產(chǎn)生電荷輸出，總質(zhì)量成正比的慣性力的作用而產(chǎn)生電荷輸出，與壓力信號(hào)混疊，造成測(cè)量誤差。與壓力信號(hào)混疊，造成測(cè)量誤差。2022-1-1103補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法3：雙膜片預(yù)加載（作用力相反）：雙膜片預(yù)加載（作用力相反）加速度補(bǔ)償加速度補(bǔ)償上膜片預(yù)加載上膜片預(yù)加載F1 下膜片預(yù)加載下膜片預(yù)加載F2上膜片的撓度變化上膜片的撓度變化為為 ；下膜片的撓度變化下膜片的撓度變化為為 ；設(shè)設(shè)振動(dòng)位移為振動(dòng)位移為 ，方向朝上。，方向朝上。石英晶體的厚度沒有變化。石英晶體的厚度沒有變化。2022-1-1104石英晶體的上表面作用力為：石英晶體的上表面作用力為：11KF石英晶體的

48、上表面作用力為：石英晶體的上表面作用力為：22KF 綜合效果：不產(chǎn)生電荷。綜合效果：不產(chǎn)生電荷。對(duì)靈敏度的影響：對(duì)靈敏度的影響：由于兩個(gè)膜片對(duì)外由于兩個(gè)膜片對(duì)外力力P相當(dāng)于并聯(lián)，相當(dāng)于并聯(lián)，所以每個(gè)膜片實(shí)際所以每個(gè)膜片實(shí)際受力為受力為P/2，所以，所以靈敏度下降為原來(lái)靈敏度下降為原來(lái)的的1/2。2022-1-1105例2：已知一壓電式加速度傳感器的電壓放大器的已知一壓電式加速度傳感器的電壓放大器的總電容總電容C=1000pf， 總電阻總電阻R=500M，傳感器的固，傳感器的固有頻率為有頻率為 f0=30KHz,阻尼比阻尼比 =0.5,求幅值誤差在求幅值誤差在2%以內(nèi)的使用頻率。如何改善其低頻響

49、應(yīng)性能？為什以內(nèi)的使用頻率。如何改善其低頻響應(yīng)性能？為什么壓電式傳感器不能測(cè)量絕對(duì)靜態(tài)量？么壓電式傳感器不能測(cè)量絕對(duì)靜態(tài)量？ 解：98. 0)(12RCRCUUaminmsrad/8 . 9HzfL6 . 1202202002/1)1(axt2022-1-1106改善其低頻響應(yīng)性能方法：提高絕緣電阻和放大器改善其低頻響應(yīng)性能方法：提高絕緣電阻和放大器的輸入電阻；或改用電荷放大器；的輸入電阻；或改用電荷放大器； 02. 01)1(20200axt98. 02/1120220KHzfH15. 6得到：HzfHz61506 . 1不能測(cè)量靜態(tài)量的原因：電荷通過(guò)并聯(lián)電阻泄漏。不能測(cè)量靜態(tài)量的原因：電荷

50、通過(guò)并聯(lián)電阻泄漏。2022-1-11078.5 誤差分析誤差分析一、環(huán)境溫度的影響一、環(huán)境溫度的影響EdT,低頻響應(yīng)變壞RT溫度T改變壓電常數(shù)d、介電常數(shù)、體電阻R、彈性模量E的變化。2022-1-1108熱釋電效應(yīng)的影響熱釋電效應(yīng)的影響熱釋電效應(yīng)：熱釋電效應(yīng)：晶體材料在溫度變化時(shí)釋放晶體材料在溫度變化時(shí)釋放電荷的現(xiàn)象電荷的現(xiàn)象.對(duì)多晶壓電陶瓷，溫度變化對(duì)多晶壓電陶瓷，溫度變化產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷特點(diǎn)：低頻，特點(diǎn)：低頻，2Hz;2022-1-1109瞬變溫度的影響瞬變溫度的影響溫度梯度溫度梯度熱應(yīng)力熱應(yīng)力熱輸出熱輸出防止措施：防止措施：采用剪切型：壓電片與殼體隔離、中心柱采用剪切型：壓電片與殼體隔

51、離、中心柱與基座隔離；與基座隔離；冷卻：注入循環(huán)水冷卻：注入循環(huán)水質(zhì)量塊壓電陶瓷元件2022-1-1110采用隔熱片：膜片與壓電元件之間放置導(dǎo)熱率采用隔熱片：膜片與壓電元件之間放置導(dǎo)熱率小的隔熱墊片（非極化鋯鈦酸鉛陶瓷等）；小的隔熱墊片（非極化鋯鈦酸鉛陶瓷等）；2022-1-1111 采用溫度補(bǔ)償片：在膜片與壓電片之間放置采用溫度補(bǔ)償片：在膜片與壓電片之間放置溫度補(bǔ)償片，其溫度膨脹補(bǔ)償殼體變形引起的溫度補(bǔ)償片，其溫度膨脹補(bǔ)償殼體變形引起的預(yù)緊力的變化（如溫度升高，殼體變長(zhǎng)，預(yù)緊預(yù)緊力的變化（如溫度升高，殼體變長(zhǎng)，預(yù)緊力減?。谎a(bǔ)償晶片變長(zhǎng)，增加預(yù)緊力。）力減?。谎a(bǔ)償晶片變長(zhǎng)，增加預(yù)緊力。）202

52、2-1-1112二、環(huán)境濕度的影響二、環(huán)境濕度的影響絕緣電阻（泄漏電阻）絕緣電阻（泄漏電阻）低頻響應(yīng)變壞低頻響應(yīng)變壞三、橫向靈敏度三、橫向靈敏度KyKx最大橫向靈敏度主軸靈敏度最大靈敏度現(xiàn)象：傳感器最大靈現(xiàn)象：傳感器最大靈敏度方向與主軸不重敏度方向與主軸不重合。合。原因：切片方向、極原因：切片方向、極化方向（壓電陶瓷）、化方向（壓電陶瓷）、表面粗糙度、兩個(gè)平表面粗糙度、兩個(gè)平面的平行度和安裝等。面的平行度和安裝等。2022-1-11130306090120150180210240270300330最大橫向靈敏度方向最大橫向靈敏度方向橫向靈敏度與加速度方向的關(guān)系橫向靈敏度與加速度方向的關(guān)系理想橫

53、向加速度方向2022-1-1114測(cè)試橫向靈敏度示意圖測(cè)試橫向靈敏度示意圖選擇最小橫向靈敏度方向2022-1-1115四、基座應(yīng)變影響四、基座應(yīng)變影響現(xiàn)象：安裝部位由于被測(cè)構(gòu)件的作用而產(chǎn)生變形。現(xiàn)象：安裝部位由于被測(cè)構(gòu)件的作用而產(chǎn)生變形。金屬屏蔽層絕緣層芯線五、電纜噪聲五、電纜噪聲特點(diǎn)：基座應(yīng)變對(duì)剪切型比對(duì)壓縮型的影響小。特點(diǎn)：基座應(yīng)變對(duì)剪切型比對(duì)壓縮型的影響小。解決方法：固定電纜2022-1-1116六、接地回路噪聲六、接地回路噪聲前置放大器測(cè)量?jī)x表壓電式傳感器電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則：電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則： 通常把大地看成等電位體，實(shí)際上大地各處的電位是不同通常把大地看成等電位體，實(shí)際上大地各處的電位

54、是不同的。如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在二點(diǎn)接地，則由于這兩點(diǎn)之間的的。如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在二點(diǎn)接地，則由于這兩點(diǎn)之間的地電位差而引起干擾，這時(shí)采用地電位差而引起干擾，這時(shí)采用“一點(diǎn)接地一點(diǎn)接地”就可以有效就可以有效削弱這些干擾。對(duì)于一個(gè)測(cè)量電路而言只能是削弱這些干擾。對(duì)于一個(gè)測(cè)量電路而言只能是“一點(diǎn)接地一點(diǎn)接地”。2022-1-1117本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)壓電傳感器的工作原理壓電傳感器的工作原理:壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)石英晶體石英晶體三晶軸：光學(xué)軸（三晶軸：光學(xué)軸（z）、機(jī)械軸（）、機(jī)械軸（y）、電軸（）、電軸（x）壓電方程變形形式：厚度變形（壓電方程變形形式：厚度變形（d11）長(zhǎng)度變形）長(zhǎng)度變形 （d12 ）、厚

55、度剪切變形（厚度剪切變形（ d14、 d25）、面剪切變形面剪切變形（ d26）切型：切型：X切、切、Y切切壓電陶瓷壓電陶瓷極化極化壓電方程變形形式：厚度變形（壓電方程變形形式：厚度變形（d33）、長(zhǎng)度變形）、長(zhǎng)度變形（ d31 、d32 ）、厚度剪切變形（厚度剪切變形（ d24、 d15）、體積變體積變形（形（d31 、d32 、d33）2022-1-1118壓電傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器的測(cè)量電路等效電路：電荷發(fā)生器、電壓源等效電路：電荷發(fā)生器、電壓源電壓放大器：不能測(cè)靜態(tài)量，如何改善低頻電壓放大器：不能測(cè)靜態(tài)量，如何改善低頻響應(yīng)響應(yīng)電荷放大器：輸出與電纜電容無(wú)關(guān)，可測(cè)準(zhǔn)電荷放大器：輸出與電纜電容無(wú)關(guān)，可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量靜態(tài)量壓電傳感器壓電傳感器加速度傳感器：加速度傳感器： 壓縮式：頻響特性、結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。壓縮式：頻響特性、結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。 剪切式：結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。剪切式：