第七章壓電式傳感器

1、第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器是力敏感元件，將被測(cè)量力、壓力、加速度等轉(zhuǎn)換成壓電器是力敏感元件，將被測(cè)量力、壓力、加速度等轉(zhuǎn)換成壓電器件的表面電荷量，以實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)目的。件的表面電荷量，以實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)目的。壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些是以某些晶體晶體受力后，在其受力后，在其表面表面產(chǎn)生產(chǎn)生電荷電荷的的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。（原理的傳感器。（敏感元件敏感元件：壓電材料：壓電材料/晶體）晶體）它可以測(cè)量最終能變換為它可以測(cè)量最終能變換為力力的各種物理量，如力、壓力、加速度等，實(shí)現(xiàn)的各種物理量，如力、壓力、加速度等，實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量，是

2、一種典型的非電量的測(cè)量，是一種典型的有源傳感器（發(fā)電型有源傳感器（發(fā)電型/自發(fā)電式自發(fā)電式/機(jī)電轉(zhuǎn)換式）機(jī)電轉(zhuǎn)換式）；壓電式傳感器具有壓電式傳感器具有體積小體積小，重量輕重量輕，工作頻帶寬工作頻帶寬、靈敏度高靈敏度高、工作可靠、工作可靠、測(cè)量范圍廣測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種等特點(diǎn)，因此在各種動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應(yīng)（石英和壓電陶瓷）壓電效應(yīng)（石英和壓電陶瓷）壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路信號(hào)調(diào)

3、解電路信號(hào)調(diào)解電路應(yīng)用應(yīng)用7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料某些晶體，在某些晶體，在一定方向一定方向受到受到外力外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)引起它作用而產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)引起它內(nèi)部?jī)?nèi)部的的正負(fù)正負(fù)電荷電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化極化，導(dǎo)致在晶體的，導(dǎo)致在晶體的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào)相反兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的的電荷；電荷；當(dāng)當(dāng)外力去掉外力去掉后，又重新后，又重新恢復(fù)不帶電恢復(fù)不帶電狀態(tài)；狀態(tài)；當(dāng)作用當(dāng)作用力方向改變力方向改變，電荷的，電荷的極性極性也隨之也隨之改變改變，這種現(xiàn)象為，這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電半導(dǎo)體等。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)

4、很多，如石英晶體、壓電半導(dǎo)體等。壓電效應(yīng)分：壓電效應(yīng)分：正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)和和逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。l電勢(shì)型傳感器電勢(shì)型傳感器 以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)l壓電效應(yīng)可逆壓電效應(yīng)可逆 “雙向傳感器雙向傳感器”加力加力 變形變形 產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷1. 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料某些晶體（電介質(zhì)）受到某些晶體（電介質(zhì)）受到一定方向上一定方向上的機(jī)械的機(jī)械外力外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化極化現(xiàn)象（類似于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的現(xiàn)象（類似于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的兩個(gè)表面上兩個(gè)表面上產(chǎn)生產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷符號(hào)相反的電荷（或產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)）。

5、當(dāng)外（或產(chǎn)生內(nèi)部電場(chǎng)）。當(dāng)外力去掉后力去掉后，又重新，又重新恢復(fù)恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。機(jī)械能機(jī)械能電能電能機(jī)械能機(jī)械能電能電能在壓電材料的在壓電材料的兩個(gè)電極面兩個(gè)電極面上，如果加以上，如果加以交流電壓交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮伸縮的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效電致伸縮效應(yīng)應(yīng)”，也叫做，也叫做“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。（。（施加電場(chǎng)施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力應(yīng)力）常見(jiàn)的壓電材料

6、由石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。常見(jiàn)的壓電材料由石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電式傳感器又叫雙向傳感器壓電式傳感器又叫雙向傳感器2. 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)機(jī)機(jī)械械能能電電能能壓電元件壓電元件逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)自然界許多晶體具有自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷壓電晶體、壓電陶瓷。 7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體石英晶

7、體石英晶體石英晶體云母晶體云母晶體食鹽晶體食鹽晶體石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 （晶振）（晶振）石英晶體石英晶體石英晶體有三個(gè)晶軸：石英晶體有三個(gè)晶軸： X軸軸電軸電軸或或1軸軸，通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)，通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線，并垂直于光軸；棱線，并垂直于光軸； Y軸軸機(jī)械軸機(jī)械軸或或2軸軸，垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶，垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面；柱棱面； Z軸軸光軸光軸或或3軸軸，與晶體的縱軸線方向一，與晶體的縱軸線方向一致致（與（與x，y軸垂直）軸垂直）7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)沿電軸（沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)

8、生電荷；軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷；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軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷；軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷；在在光軸光軸（Z軸）方向施加力時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸）方向施加力時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)沿沿X（電軸）（電軸）對(duì)晶片施加力對(duì)晶片施加力FX時(shí)，在時(shí)，在垂直于垂直于X軸軸的表面產(chǎn)生電荷的表面產(chǎn)生電荷 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)當(dāng)當(dāng)FX0時(shí)（時(shí)（拉力拉力），在），在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)負(fù)負(fù)電；電；當(dāng)當(dāng)FX0時(shí)（時(shí)（拉力拉力），與），與FX0時(shí)的情況類似，在時(shí)的情況類似，在x

9、軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)正正電；電；當(dāng)當(dāng)FY0時(shí)的情況類似，在時(shí)的情況類似，在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)負(fù)負(fù)電；電；7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)沿沿Z（光軸）（光軸）對(duì)晶片施加力對(duì)晶片施加力FZ時(shí)，無(wú)壓電效應(yīng)。時(shí)，無(wú)壓電效應(yīng)。 由于正負(fù)離子位置保持不變，由于正負(fù)離子位置保持不變， ，所以不產(chǎn)生任何方向上的壓電效，所以不產(chǎn)生任何方向上的壓電效應(yīng)。應(yīng)。7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)晶片電荷極性與受力方向關(guān)系晶片電荷極性與受力方向關(guān)系（a）（b）（c）（d）圖（圖（a）：在）：在

10、X軸方向受壓力軸方向受壓力圖（圖（b）：在）：在X軸方向受拉力軸方向受拉力圖（圖（c）：在）：在Y軸方向受壓力軸方向受壓力圖（圖（d）：在）：在Y軸方向受拉力軸方向受拉力縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析（1）在）在X軸方向上，施加外力軸方向上，施加外力FX時(shí)，時(shí)，X軸表面產(chǎn)生的電荷量軸表面產(chǎn)生的電荷量壓電系數(shù)，石英晶體壓電系數(shù)，石英晶體 =2.310-12C/N分析：分析：作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生一定的極化強(qiáng)度。作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)

11、生一定的極化強(qiáng)度。其極化強(qiáng)度：其極化強(qiáng)度：與應(yīng)力與應(yīng)力 大小有關(guān)大小有關(guān)則：則：l、b石英晶片的長(zhǎng)度和寬度石英晶片的長(zhǎng)度和寬度 極化強(qiáng)度在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度極化強(qiáng)度在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 而極化強(qiáng)度而極化強(qiáng)度 所以，所以， 相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)，在相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)，在X軸方向上施加外電壓，則晶體產(chǎn)生的形變?yōu)椋狠S方向上施加外電壓，則晶體產(chǎn)生的形變?yōu)椋合鄬?duì)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)變X軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度（2）同理，在）同理，在Y軸方向上，施加外力軸方向上，施加外力FY時(shí)，時(shí)，X軸表面產(chǎn)生的電荷量軸表面產(chǎn)生的電荷量分析：分析：7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓

12、電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析而電荷密度而電荷密度相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變?cè)谠赬軸方向上，加外電場(chǎng)軸方向上，加外電場(chǎng)UX相對(duì)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)變由上述可知：由上述可知： 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變應(yīng)變）與電荷（或）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈）之間呈線線性性關(guān)系；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電效應(yīng)；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。7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效

13、應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析（1）縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：）縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷： X X軸施軸施力力，垂直于，垂直于X X軸平面上的軸平面上的電荷電荷； 壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。X X軸施加力，垂直于軸施加力，垂直于X X軸平軸平面上產(chǎn)生電荷面上產(chǎn)生電荷； 沿沿X X方向施加方向施加力力；當(dāng)晶片受當(dāng)晶片受X向的壓力向的壓力時(shí)，時(shí)， 與作用力與作用力 成成正比正比，與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；，與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；若若 改為改為拉力拉力時(shí)，在垂直于時(shí)，在垂直于X軸的平面上出現(xiàn)軸的平面上出現(xiàn)等量電荷等量電荷，但，但極性相反極性相反。7.1 壓電效應(yīng)及壓

14、電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)電荷大小分析電荷大小分析（2）橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：）橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷：當(dāng)晶片受當(dāng)晶片受Y向的壓力向的壓力時(shí)，時(shí)， 與作用力與作用力 成成正比正比，且且與晶片的與晶片的幾何尺寸幾何尺寸有關(guān)；有關(guān)；XYqYF Y Y軸施軸施力力，垂直于，垂直于X X軸平面上的軸平面上的電荷電荷； 壓電系數(shù)。壓電系數(shù)。Y Y軸施加力，垂直于軸施加力，垂直于X X軸軸平面上產(chǎn)生電荷平面上產(chǎn)生電荷； 沿沿Y Y方向施加方向施加力力；晶片電荷極性與受力方向關(guān)系晶片電荷極性與受力方向關(guān)系壓壓壓壓拉拉拉拉7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料3

15、. 石英晶體石英晶體一種天然晶體，壓電系數(shù)一種天然晶體，壓電系數(shù) ；莫氏硬度為莫氏硬度為7，熔點(diǎn)為，熔點(diǎn)為1750，膨脹系數(shù)僅為鋼的，膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好，固有頻率高、動(dòng)態(tài)特轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好，固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好。、穩(wěn)定性好。7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料4. 壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析屬于鐵電體一類物質(zhì)，是人工制造的多晶體材料。屬

16、于鐵電體一類物質(zhì)，是人工制造的多晶體材料。具有類似鐵磁體材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，即電疇特性。具有類似鐵磁體材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，即電疇特性。（1）電疇特性）電疇特性指材料分子，自發(fā)形成指材料分子，自發(fā)形成分子團(tuán)分子團(tuán)。材料內(nèi)部有許多自發(fā)極化的材料內(nèi)部有許多自發(fā)極化的電疇電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。但在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，分子團(tuán)（電疇）在晶體中雜亂無(wú)規(guī)則排列，它們各自的極但在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，分子團(tuán)（電疇）在晶體中雜亂無(wú)規(guī)則排列，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，所以壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，晶體呈化效應(yīng)被相互抵消，所以壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，晶體呈中性中性

17、。（。（不具有壓電效不具有壓電效應(yīng)應(yīng)）（2）極化過(guò)程）極化過(guò)程極化處理極化處理在陶瓷上施加在陶瓷上施加外電場(chǎng)，外電場(chǎng)，使電疇（分子團(tuán)）趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排使電疇（分子團(tuán)）趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排列，從而使材料得到極化（如圖列，從而使材料得到極化（如圖b）。）。外電場(chǎng)去除后，其內(nèi)部電疇基本保持不變，留下了很強(qiáng)的外電場(chǎng)去除后，其內(nèi)部電疇基本保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度，剩余極，剩余極化強(qiáng)度如圖化強(qiáng)度如圖c。壓電陶瓷經(jīng)過(guò)極化處理后，具有一定的壓電陶瓷經(jīng)過(guò)極化處理后，具有一定的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。（3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由

18、電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖極化方向極化方向- - - - - - - 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極- - - - - - - 剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度會(huì)在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電會(huì)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。荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上上吸附吸附了一層來(lái)自外界的了一層來(lái)自外界的自由電荷自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)符號(hào)相反而數(shù)量相等相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。極化強(qiáng)度對(duì)外界的作

19、用。在未受外力作用下在未受外力作用下（3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析在外加與極化方向平行的壓力時(shí)在外加與極化方向平行的壓力時(shí)如果在陶瓷片上加一個(gè)如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力與極化方向平行的壓力F，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(fù)束縛電荷之間的片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷自由電荷，有一部，有一部分被分被釋放釋放，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力當(dāng)壓力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、，片內(nèi)的正、負(fù)電荷間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因

20、此電負(fù)電荷間的距離變大，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)極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) F- - - - - - - - - - - - - - 極化方向極化方向正壓電效應(yīng)示意圖正壓電效應(yīng)示意圖機(jī)械能機(jī)械能電能電能施加壓力，陶瓷片施加壓力，陶瓷片壓縮形壓縮形變變。正、負(fù)電荷間的正、負(fù)電荷間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。釋放釋放部分部分自由電荷自由電荷放電放電壓力壓力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢復(fù)恢復(fù)原狀原狀，極化強(qiáng)度也變大，極化強(qiáng)度也變大，電極上又吸附部分自由電電極上又吸附部分自由電荷荷充電充電（3）壓電效應(yīng)分析）壓

21、電效應(yīng)分析外加與極化方向平行的壓力時(shí)外加與極化方向平行的壓力時(shí)機(jī)械能機(jī)械能電能電能（3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析 外加與極化方向相同外加與極化方向相同/相反的電場(chǎng)相反的電場(chǎng)如果在陶瓷片上加一個(gè)與如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度化強(qiáng)度增大增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離也增大距離也增大，即陶瓷片沿，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)形變。形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向化方向相反相反，則陶瓷片沿極化方向，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生產(chǎn)生收縮收

22、縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)示意圖電場(chǎng)方向電場(chǎng)方向極化方向極化方向- - - - - - - - - - - - - - 電能電能機(jī)械能機(jī)械能若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化極化方向相同方向相同，則陶瓷片，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)形變。形變。若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化方極化方向相反向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生化方向產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) （3）壓電效應(yīng)分析）壓電效應(yīng)分析 外加與極化方向相同外加與極化方向相同/相反的電場(chǎng)相反的電場(chǎng)電能電能機(jī)械能機(jī)械能7.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料4. 壓電

23、陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析常見(jiàn)的壓電陶瓷常見(jiàn)的壓電陶瓷（1）鈦酸鋇（）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。材料。（3）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（P

24、MN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。力傳感器。7.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料5. 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式并聯(lián)方法并聯(lián)方法：兩片壓電晶片的：兩片壓電晶片的負(fù)電荷負(fù)電荷集中在集中在中間電極上中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的極上，傳感器的電容量大電容量大、輸出電荷量大輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用，故這種傳感器適用于于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。( (a a)

25、)并聯(lián)并聯(lián)+ + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - +-U串聯(lián)方法：串聯(lián)方法：正電荷正電荷集中于上集中于上極板極板，負(fù)電荷負(fù)電荷集中于集中于下極板下極板，傳感器本身的，傳感器本身的電容量電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)以電壓作輸出的信號(hào)和頻和頻率較高的信號(hào)。率較高的信號(hào)。 + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - +-U7

26、.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料5. 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7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（1）等效原理）等效原理壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產(chǎn)生壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產(chǎn)生正負(fù)極性的電荷，因此可以看出一個(gè)靜電發(fā)正負(fù)極性的電荷，因此可以看出一個(gè)靜電發(fā)生器，其類似一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電生器，其類似一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器容器Ca。當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，極板之間的電壓當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，極板之間的電壓大小為：大小為：壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（2）等效電路）

27、等效電路（a）電荷等效電路）電荷等效電路（b）電壓等效電路）電壓等效電路（a）等效電荷源）等效電荷源q（b）等效電壓源）等效電壓源Ua特點(diǎn)：壓電晶體不適合靜態(tài)測(cè)量特點(diǎn)：壓電晶體不適合靜態(tài)測(cè)量傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力，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后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存長(zhǎng)期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放放電電。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)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)誤差誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄露，外電

28、路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄露，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以外力以較高頻率較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。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。因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電表面漏電而很快泄漏、消失。而很快泄漏、消失。7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（3）實(shí)際應(yīng)用中，壓電傳感器的完整

29、等效電路）實(shí)際應(yīng)用中，壓電傳感器的完整等效電路完整電荷源等效電路完整電荷源等效電路完整電壓源等效電路完整電壓源等效電路Ca：傳感器的固有電容：傳感器的固有電容Ci：前置放大器輸入電容：前置放大器輸入電容Cc：連線電容：連線電容Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻Ri：前置放大器輸入電阻：前置放大器輸入電阻由于壓電式傳感器的由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱輸出電信號(hào)很微弱，不能直接顯示和記錄；，不能直接顯示和記錄；通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經(jīng)過(guò)中，經(jīng)過(guò)阻抗交換阻抗交換以后，以后，方可用一般的方可用一般的放大檢波電路放大檢

30、波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中；再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中；測(cè)量電路的測(cè)量電路的關(guān)鍵關(guān)鍵在于在于高阻抗輸入的前置放大器高阻抗輸入的前置放大器；壓電式傳感器要求測(cè)量電路的壓電式傳感器要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高輸入阻抗很高，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差；，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差；前置放大器前置放大器兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗輸出阻抗變換成低阻抗輸出變換成低阻抗輸出 放大放大壓電式傳感器壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)輸出的微弱信號(hào)7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（4）測(cè)量電路）測(cè)量電路7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電

31、路（4）測(cè)量電路）測(cè)量電路前置放大器形式：前置放大器形式：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；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；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。a、電壓放大器、電壓放大器7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（4）測(cè)量電路）測(cè)量電路圖中，等效電阻圖中，等效電阻R為為等效電容為等效電容為外力作用時(shí)外力作用時(shí)力的幅值力的幅值根據(jù)壓電效應(yīng)：根據(jù)壓電效應(yīng)：則：則：放大器輸入端的電壓放大器輸入端的電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為，其復(fù)數(shù)形式為當(dāng)當(dāng) ，上式簡(jiǎn)化為：，上式簡(jiǎn)化為：其幅值：其幅值：

32、結(jié)論：結(jié)論：放大器的輸入放大器的輸入U(xiǎn)im與與F的頻率無(wú)關(guān)，因此具有較好的高頻響應(yīng)特性；的頻率無(wú)關(guān)，因此具有較好的高頻響應(yīng)特性；改變壓電傳感器的引線電纜長(zhǎng)度，其電纜電容的變化將引起放大器輸入信改變壓電傳感器的引線電纜長(zhǎng)度，其電纜電容的變化將引起放大器輸入信號(hào)號(hào)Uim的變化。因此在測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度固定（的變化。因此在測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度固定（Cc=常數(shù)）。常數(shù)）。電壓靈敏度，電壓靈敏度，即，靈敏度與電路電容大小成反比關(guān)系。所以一般要求放大器的內(nèi)阻即，靈敏度與電路電容大小成反比關(guān)系。所以一般要求放大器的內(nèi)阻Ri增大增大（電容（電容C降低）。降低）。Ca：傳感器的固有電容：傳感器的固有電容Ci：前置

33、放大器輸入電容：前置放大器輸入電容Cc：連線電容：連線電容Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻Ri：前置放大器輸入電阻：前置放大器輸入電阻0raSSCtt sinmQd Fd Ft()1aR CC11iaicaUd Fd FCCCCCmimicad FUCCCimmicaUdKFCCC1211XYYYllqdFdFtt 1212YXYXYFPddbt11XXXqFdlblb1111XXUtdd Ett1211dd XYXYqPlb1111XXUldd Elt 12112.31 10/dC N6.2 壓電材料壓電材料 6.2.1 石英晶體石英晶體根據(jù)石英晶體的對(duì)稱條件根據(jù)石英晶體的對(duì)稱條件 ，有

34、，有XXXYdd XYXXYaqdFb 壓壓壓壓拉拉拉拉XYXXYaqdFb 壓壓壓壓拉拉拉拉6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料多晶體壓電材料；材料內(nèi)部的晶粒有許多材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)；在電場(chǎng)；（電疇電疇具有自發(fā)極化的晶體中存在一些具有自發(fā)極化的晶體中存在一些自發(fā)極化取向一致自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域的微小區(qū)域）在在無(wú)外電場(chǎng)無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相

35、相互抵消互抵消，壓電陶瓷內(nèi)，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零極化強(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，不具有不具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。電極化電極化當(dāng)給電介質(zhì)施加一個(gè)當(dāng)給電介質(zhì)施加一個(gè)電場(chǎng)電場(chǎng)時(shí)，由于電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷的相對(duì)時(shí)，由于電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷的相對(duì)位移，會(huì)產(chǎn)生位移，會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷等量異號(hào)的電荷6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷極化處理極化處理在陶瓷上施加在陶瓷上施加強(qiáng)外電場(chǎng)強(qiáng)外電場(chǎng)，使電疇，使電疇趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排趨于按外電場(chǎng)方向規(guī)則排列列，使材料得到極化，此時(shí)壓電陶瓷就，使材料得到極化，此時(shí)壓電陶瓷就具有壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)。在極化電場(chǎng)去除后

36、，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本保持不變電疇基本保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。，留下了很強(qiáng)的剩余極化。 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖極化方向極化方向- - - - - - - 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極- - - - - - - 陶瓷片內(nèi)的陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度總是以總是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)端出現(xiàn)正束縛電荷正束縛電荷，另一端出現(xiàn)，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的由于束縛

37、電荷的作用，在陶瓷片的電極面上電極面上吸附吸附了一層來(lái)自外界的了一層來(lái)自外界的自由自由電荷電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷荷符號(hào)相反而數(shù)量相等符號(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷如果在陶瓷片上加一個(gè)如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形壓縮形變變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的因此，

38、原來(lái)吸附在電極上的自由電荷自由電荷，有，有一部分被一部分被釋放釋放，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力當(dāng)壓力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢復(fù)原狀恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷施加壓力，陶瓷片施加壓力，陶瓷片壓縮形壓縮形變變。正、負(fù)電荷間的正、負(fù)電荷間的距離變小距離變小，極化強(qiáng)度也變小極化強(qiáng)度也變小。釋放釋放部分部分自由電荷自由電荷放電放電壓力壓力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢復(fù)恢復(fù)原狀原狀，極化強(qiáng)度也變大，極化強(qiáng)度

39、也變大，電極上又吸附部分自由電電極上又吸附部分自由電荷荷充電充電正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷如果在陶瓷片上加一個(gè)與如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度化強(qiáng)度增大增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離也增大距離也增大，即陶瓷片沿極化方，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)形變。形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向化方向相反相反，則陶瓷片沿極化方向，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 6.2 壓

40、電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化極化方向相同方向相同，則陶瓷片，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)形變。形變。若所加電場(chǎng)與若所加電場(chǎng)與極化方極化方向相反向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生化方向產(chǎn)生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷電場(chǎng)與極化方向相同電場(chǎng)與極化方向相同電場(chǎng)與極化方向相反電場(chǎng)與極化方向相反 壓電陶瓷之所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在壓電陶瓷之所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化自發(fā)極化，這些，這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化處理極化處理后，被迫按一

41、定方向排列，且陶瓷內(nèi)存在后，被迫按一定方向排列，且陶瓷內(nèi)存在剩余極化剩余極化強(qiáng)度強(qiáng)度。若外界的作用（若外界的作用（如壓力或電場(chǎng)如壓力或電場(chǎng)）能使此）能使此極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度發(fā)生改變，陶瓷就出現(xiàn)發(fā)生改變，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷6.3 壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu) 6.3.2 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6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路類似于類似于一個(gè)一個(gè)靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器或或一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器

42、電容器Ca當(dāng)兩極板有當(dāng)兩極板有異性電荷異性電荷q時(shí)，極板間的電壓時(shí)，極板間的電壓6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 （1）電荷等效電路）電荷等效電路視為電荷輸出視為電荷輸出：等效為：等效為電荷源電荷源Q和和電容電容Ca并聯(lián)，開路狀態(tài)并聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電荷輸出端電荷為為把壓電式傳感器看成一個(gè)電荷源與電容并聯(lián)的把壓電式傳感器看成一個(gè)電荷源與電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器 6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 （1）電壓等效電路）電壓等效電路視為電壓輸出：視

43、為電壓輸出：等效為等效為電壓源電壓源U和和電容電容Ca串串聯(lián)，開路狀態(tài)聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電壓輸出端電壓為為6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接；與測(cè)量?jī)x器相連接；壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路電壓等效電路和和電荷電荷等效電路等效電路。這兩種等效電路是完全等效的。這兩種等效電路是完全等效的。6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的

44、測(cè)量電路由于壓電式傳感器的由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱輸出電信號(hào)很微弱，不能直接顯示和記錄；，不能直接顯示和記錄；通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經(jīng)過(guò)中，經(jīng)過(guò)阻抗交換阻抗交換以后，以后，方可用一般的方可用一般的放大檢波電路放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中；再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中；測(cè)量電路的測(cè)量電路的關(guān)鍵關(guān)鍵在于在于高阻抗輸入的前置放大器高阻抗輸入的前置放大器；壓電式傳感器要求測(cè)量電路的壓電式傳感器要求測(cè)量電路的輸入阻抗很高輸入阻抗很高，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差；，防止電荷泄露，而增大測(cè)量誤差；前

45、置放大器前置放大器兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗輸出阻抗變換成低阻抗輸出變換成低阻抗輸出 放大放大壓電式傳感器壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)輸出的微弱信號(hào)6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）放大器電路放大器電路等效電路等效電路電壓放大器的輸入端電壓放大器的輸入端，電容，電容C=Cc+Ci，電阻，電阻R=Ra/Ri，輸出端輸出端Ua=q/Ca，若壓電傳感器受力若壓電傳感器受力 ，則壓電元件上的電壓為，則壓電元件上的電壓為 UiUm-壓電元件輸出

46、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)6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）放大器輸入端放大器輸入端形成的電壓為形成的電壓為放大器輸入放大器輸入電壓的幅值為電壓的幅值為理想情況下，輸入電壓幅值為理想情況下，輸入電壓幅值為可以看出，前置放大器輸入電壓可以看出，前置放大器輸入電壓Uin大小與大小與被測(cè)頻率被測(cè)頻率無(wú)關(guān)；無(wú)關(guān)；若若電纜長(zhǎng)度電纜長(zhǎng)度改變，改變，CC改變，改變，Uin隨之改變，所以壓電傳感器與前置放大器間的隨之改變，所以壓電傳感器與前置放大器間的連接電纜連

47、接電纜不能隨意更換，否則引入測(cè)量誤差不能隨意更換，否則引入測(cè)量誤差6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）放大器輸入放大器輸入電壓的幅值為電壓的幅值為一般在一般在t3時(shí)，就可以認(rèn)為時(shí)，就可以認(rèn)為Uin與與無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，t測(cè)量測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)，即，即當(dāng)作用于壓電元件的力為當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力靜態(tài)力（=0）時(shí)，前置放大器的）時(shí)，前置放大器的輸入電壓為輸入電壓為0，因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身而漏掉，所以壓電傳感器不能用因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳

48、感器本身而漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量于靜態(tài)力的測(cè)量6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于電荷將由于表面漏電表面漏電而很快而很快泄漏、消失。泄漏、消失。6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 2.電荷放大器電荷放大器由一個(gè)由一個(gè)反饋電容反饋電容Cf 和和高增益運(yùn)算放大器高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成；構(gòu)成；由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，所以由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，所以 Uo放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。 +CaQCcCiRiCfRfU0 傳感器傳感器 電纜電纜放大器放大器RaA6.4 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路