傳感器——壓電傳感器

1、第五章第五章 壓電傳感器壓電傳感器 它是利用它是利用壓電材料壓電材料制成傳感元件的傳感器。制成傳感元件的傳感器。該傳感器利用了壓電材料的該傳感器利用了壓電材料的，即在，即在外力作用下，該材料的表面產(chǎn)生電荷，從而外力作用下，該材料的表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)。實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)。 壓電傳感器的壓電傳感器的特點(diǎn)特點(diǎn)：頻響好；靈敏度高；：頻響好；靈敏度高；信噪比大。信噪比大。 參考書(shū)：參考書(shū)： 壓電學(xué)壓電學(xué) 張福學(xué)張福學(xué)v工作原理工作原理壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)石英晶體石英晶體壓電陶瓷壓電陶瓷v壓電材料壓電材料v測(cè)量電路測(cè)量電路等效電路等效電路測(cè)量電路測(cè)量電路電壓放大器和電荷放大器電壓放大器和電荷放大

2、器v補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償技術(shù)v應(yīng)用簡(jiǎn)介應(yīng)用簡(jiǎn)介壓電傳感器主要內(nèi)容壓電傳感器主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)1 1、現(xiàn)象：對(duì)于某些電介質(zhì)材料，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ洮F(xiàn)象：對(duì)于某些電介質(zhì)材料，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ?施力施力時(shí)，因其內(nèi)部的極化現(xiàn)象，該材料表時(shí)，因其內(nèi)部的極化現(xiàn)象，該材料表 面產(chǎn)生面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力不存在；當(dāng)外力不存在 時(shí)，重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，該現(xiàn)象稱作時(shí)，重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，該現(xiàn)象稱作壓壓 電效應(yīng)電效應(yīng)（或正壓電效應(yīng)）。（或正壓電效應(yīng)）。 反之，當(dāng)在其表面加以電場(chǎng)時(shí)，該電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生反之，當(dāng)在其表面加以電場(chǎng)時(shí)，該電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，該現(xiàn)象稱為形變，該現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效

3、應(yīng)。2 2、工作原理、工作原理（1 1）石英晶體壓電效應(yīng)的定性分析：）石英晶體壓電效應(yīng)的定性分析：v石英晶體：一般為正六面體。石英晶體：一般為正六面體。v坐標(biāo)系：坐標(biāo)系：x x軸為電軸，與棱線垂直；軸為電軸，與棱線垂直；y y軸為機(jī)械軸；軸為機(jī)械軸；z z 軸為光軸，與橫截面垂直軸為光軸，與橫截面垂直主軸坐標(biāo)系。主軸坐標(biāo)系。 v硅氧離子在（硅氧離子在（0 0，0 0，1 1）晶面的排列：位于正六）晶面的排列：位于正六面體橫截面的六個(gè)頂角上，由此形成三對(duì)偶極矩面體橫截面的六個(gè)頂角上，由此形成三對(duì)偶極矩互成互成1201200 0的偶極子。且有：的偶極子。且有： ，所以，所以合偶極矩為合偶極矩為0

4、0。 321ppp石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)v當(dāng)晶體受到當(dāng)晶體受到x方向作用力時(shí)，方向作用力時(shí)， 若若FxFx大于大于0（拉力），則有：（拉力），則有： 。若若FxFx小于小于0 （壓力），則有：（壓力），則有： 。總之，總之，當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿x x方向的作用力方向的作用力時(shí)，它時(shí)，它將將在在x x軸方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)軸方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在，在y y和和z z方向不方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這稱為產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這稱為xppp)(321xppp)(321石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)v當(dāng)受到當(dāng)受到y(tǒng) y方向作用力時(shí)，方向作用力時(shí)， 若若FyFy大于大于0 0 （拉力），則有：

5、（拉力），則有： 。FxFx小于小于0 0的的 若若FyFy小于小于0 0 （壓力），則有：（壓力），則有： 。FxFx大于大于0 0的情況的情況。當(dāng)當(dāng)晶體受到沿晶體受到沿y y方向的作用力方向的作用力時(shí)，它將時(shí)，它將在在x x軸方軸方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在，在y y和和z z方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這稱為這稱為xppp)(321xppp)(321石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)v當(dāng)受到當(dāng)受到z z軸方向軸方向作用力時(shí)，作用力時(shí)，石英晶體不存在壓石英晶體不存在壓電效應(yīng)電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)（2 2）石英晶體壓電效應(yīng)的定量分析：）石英晶體壓

6、電效應(yīng)的定量分析： 沿一定晶向切割的晶體切片，設(shè)其長(zhǎng)、寬、高分沿一定晶向切割的晶體切片，設(shè)其長(zhǎng)、寬、高分別為別為l l、t t、b b，在垂直，在垂直x x軸的晶面上鍍以電極，當(dāng)它軸的晶面上鍍以電極，當(dāng)它受到受到沿沿x x方向的應(yīng)力方向的應(yīng)力時(shí)，有極化強(qiáng)度：時(shí)，有極化強(qiáng)度： 且且在彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力呈正比在彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力呈正比，有：，有： 1./QlbttqVpPxxxblFddP.11111石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)v縱向壓電效應(yīng)可以寫(xiě)成：縱向壓電效應(yīng)可以寫(xiě)成：（其中其中q q為電量，為電量，d d為壓電為壓電系數(shù)系數(shù)） 或或v橫向壓電效應(yīng)可以寫(xiě)成：橫向壓電效應(yīng)

7、可以寫(xiě)成： 或或1111dP 1111Fdq 2121dP tlFdtlFdq/./.2112121結(jié)結(jié) 論論v輸入信號(hào)（輸入信號(hào)（F F）與輸出信號(hào)（與輸出信號(hào)（q q）呈）呈關(guān)系關(guān)系；v石英晶體的石英晶體的；v電軸的正壓電效應(yīng)較強(qiáng)；電軸的正壓電效應(yīng)較強(qiáng)；v縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電量縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電量q q與晶體尺寸與晶體尺寸無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)；v橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電量橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電量q q與晶體尺寸與晶體尺寸有關(guān)有關(guān)；v正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩者共存。正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩者共存。（3 3）一般情況）一般情況 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可寫(xiě)為：可寫(xiě)為： （正）（正）其中其中 為電荷面密度；為電荷面密度

8、；i=1i=1，2 2，3 3為晶體極化為晶體極化方向；方向；j=16j=16為晶體應(yīng)力方向。為晶體應(yīng)力方向。此外，此外， 是是3131階矩陣；階矩陣； 是是3636階矩陣；階矩陣； 是是6161階矩陣。階矩陣。jijidQSqQiji/iQijdj壓電系數(shù)壓電系數(shù)d d的幾點(diǎn)說(shuō)明的幾點(diǎn)說(shuō)明vd d與切割方向有關(guān)，不同的切型有不同的與切割方向有關(guān)，不同的切型有不同的d d。v物理意義：在物理意義：在“短路條件短路條件”下，單位應(yīng)力產(chǎn)生的電下，單位應(yīng)力產(chǎn)生的電荷荷 面密度。面密度。v短路條件：壓電元件的表面電荷一經(jīng)產(chǎn)生就立即被短路條件：壓電元件的表面電荷一經(jīng)產(chǎn)生就立即被 引開(kāi)，從而晶體上的形變不

9、存在引開(kāi)，從而晶體上的形變不存在“二次二次 效應(yīng)效應(yīng)”。（4 4）壓電陶瓷中的壓電效應(yīng)）壓電陶瓷中的壓電效應(yīng)v材料特點(diǎn)：人工制造的多晶壓電材料，具有材料特點(diǎn)：人工制造的多晶壓電材料，具有電疇電疇結(jié)結(jié)構(gòu)。構(gòu)。電疇電疇具有一定的極化方向，經(jīng)電場(chǎng)處理后，陶具有一定的極化方向，經(jīng)電場(chǎng)處理后，陶瓷內(nèi)部存在很強(qiáng)的瓷內(nèi)部存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度壓電效應(yīng)的內(nèi)壓電效應(yīng)的內(nèi)因。因。v該極化強(qiáng)度使材料表面出現(xiàn)束縛電荷，從而吸附了該極化強(qiáng)度使材料表面出現(xiàn)束縛電荷，從而吸附了一層一層外界自由電荷，外界自由電荷，屏蔽和抵消了束縛電荷對(duì)外界屏蔽和抵消了束縛電荷對(duì)外界的影響的影響壓電效應(yīng)的外因壓電效應(yīng)的外因。壓電陶

10、瓷中壓電效應(yīng)的壓電陶瓷中壓電效應(yīng)的定性分析定性分析v正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 沿極化方向受力沿極化方向受力F F 極化強(qiáng)度減小極化強(qiáng)度減小 吸附吸附的自由電荷減少的自由電荷減少（放電）；（放電）； 壓力消失壓力消失 極化強(qiáng)度加大極化強(qiáng)度加大 重新吸附電荷重新吸附電荷（充電）（充電） 。v逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 沿極化方向加一電場(chǎng)沿極化方向加一電場(chǎng)E E 極化強(qiáng)度加大極化強(qiáng)度加大 材料沿極化方向產(chǎn)生變形。材料沿極化方向產(chǎn)生變形。壓電陶瓷中的壓電效應(yīng)壓電陶瓷中的壓電效應(yīng) 總之，壓電陶瓷中的壓電效應(yīng)，是由于總之，壓電陶瓷中的壓電效應(yīng)，是由于內(nèi)部?jī)?nèi)部存在存在，經(jīng)處理產(chǎn)生，經(jīng)處理產(chǎn)生后，在后，在下下（F or

11、 EF or E），），使陶瓷出現(xiàn)壓電，使陶瓷出現(xiàn)壓電效應(yīng)。效應(yīng)。v常用定量關(guān)系（縱向壓電效應(yīng)）：常用定量關(guān)系（縱向壓電效應(yīng)）： 即受力和極化方向?yàn)榧词芰蜆O化方向?yàn)?軸方向。軸方向。3333 dQ壓電傳感器的工作原理小結(jié)壓電傳感器的工作原理小結(jié)v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): 或或橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng): 或或v壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng):v一般情況：一般情況： 是是3131階矩陣；階矩陣； 是是3636階矩陣；階矩陣； 是是6161 階矩陣。階矩陣。iQijdjjijidQ333dQ 2121dQ 1111dQ 1111F

12、dq tlFdq/2121第二節(jié)第二節(jié) 壓電材料壓電材料v石英晶體石英晶體 1 1、介電常數(shù)和壓電系數(shù)的介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好； 2 2、為各向異性材料。為各向異性材料。v壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、壓電系數(shù)高壓電系數(shù)高（應(yīng)用廣泛）；（應(yīng)用廣泛）； 2 2、常用材料：鈦酸鋇和常用材料：鈦酸鋇和PZTPZT上海硅酸鹽所的高溫壓電陶瓷等上海硅酸鹽所的高溫壓電陶瓷等 高溫壓電陶瓷高溫壓電陶瓷 壓電馬達(dá)芯片壓電馬達(dá)芯片壓電變壓器壓電變壓器 壓電馬達(dá)壓電馬達(dá) 其它壓電陶瓷元件其它壓電陶瓷元件主要應(yīng)用主要應(yīng)用v應(yīng)用：生產(chǎn)的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、含應(yīng)用：生產(chǎn)的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、偏鈮

13、酸鉛、含鉍層狀結(jié)構(gòu)等壓電陶瓷已廣泛應(yīng)用于電聲器件、鉍層狀結(jié)構(gòu)等壓電陶瓷已廣泛應(yīng)用于電聲器件、醫(yī)用超聲探頭、水聲換能器、魚(yú)群探測(cè)器、超聲醫(yī)用超聲探頭、水聲換能器、魚(yú)群探測(cè)器、超聲清洗機(jī)、流量計(jì)、高溫檢測(cè)等。清洗機(jī)、流量計(jì)、高溫檢測(cè)等。第三節(jié)第三節(jié) 測(cè)量電路測(cè)量電路 1 1、等效電路：、等效電路： 在開(kāi)路時(shí)，壓電材料的電容和電壓可表示在開(kāi)路時(shí)，壓電材料的電容和電壓可表示為：為： （以石英晶體縱向壓電效應(yīng)為例）（以石英晶體縱向壓電效應(yīng)為例） 所以它相當(dāng)于電容器和電荷發(fā)生器。因此所以它相當(dāng)于電容器和電荷發(fā)生器。因此有有電壓電壓和和電荷電荷兩種兩種等效電路等效電路。tlbtSCa/aaCqU/1 1、等

14、效電路、等效電路v壓電材料壓電材料電壓等效電路電壓等效電路 電壓靈敏度電壓靈敏度：v壓電材料壓電材料電荷等效電路電荷等效電路 電荷靈敏度電荷靈敏度：FUKau/FqKq/aaCqU/aaCUqaquCKK/電荷等效電路電荷等效電路 當(dāng)傳感器當(dāng)傳感器與前置電路相連時(shí)與前置電路相連時(shí)的電荷等效電路：的電荷等效電路： RaRa：導(dǎo)線和傳感器的絕緣電阻；：導(dǎo)線和傳感器的絕緣電阻； CcCc：電纜電容；：電纜電容； CiCi和和RiRi：前置級(jí)的輸入電阻和電容。：前置級(jí)的輸入電阻和電容。材料電荷等效電路兩點(diǎn)說(shuō)明兩點(diǎn)說(shuō)明v由于只有在外電路開(kāi)路時(shí)，傳感器受力后產(chǎn)由于只有在外電路開(kāi)路時(shí)，傳感器受力后產(chǎn)生的電荷

15、才可以保存，所以一般它生的電荷才可以保存，所以一般它。v為保證系統(tǒng)有一定的低頻響應(yīng)，一般有為保證系統(tǒng)有一定的低頻響應(yīng)，一般有歐，因此與之并聯(lián)的輸入電阻歐，因此與之并聯(lián)的輸入電阻RiRi也很也很高。高。2 2、前置級(jí)放大器、前置級(jí)放大器v作用作用：將高輸出阻抗變成低輸出阻抗；將高輸出阻抗變成低輸出阻抗；放大傳感器的微弱信號(hào)；放大傳感器的微弱信號(hào)；信號(hào)變換（信號(hào)變換（q Uscq Usc）。）。v形式形式： 電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器和電荷放大器。（1 1）電壓放大器）電壓放大器v有關(guān)參數(shù)：有關(guān)參數(shù)： / ， ；壓電元件受力：；壓電元件受力： 對(duì)于壓電陶瓷有：對(duì)于壓電陶瓷有：aRR iRi

16、cCCCtFFmsinFCdUaa33壓電材料壓電材料電壓放大器電壓放大器v輸入信號(hào)：輸入信號(hào)：v幅值：幅值：v相位：相位：v測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)：測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)：FdCCRjRjUai33.)(122233)(1)(amimCCRRFdU)(tan21icaCCCR01)(icaCCCR電壓放大器電壓放大器v輸入幅值：輸入幅值：v頻率較高時(shí)的輸入幅值：頻率較高時(shí)的輸入幅值：v相對(duì)幅頻特性：相對(duì)幅頻特性：v輸出幅值：輸出幅值：2033)/(1)(mimRFdU222)(1)()()(aciaciimimCCCRCCCRUUkimscmUAU0icamimCCCFdU33時(shí)0電壓放大器的幾點(diǎn)說(shuō)

17、明電壓放大器的幾點(diǎn)說(shuō)明v-3dB-3dB下限工作頻率：下限工作頻率：v對(duì)于一定電路的時(shí)間常數(shù)對(duì)于一定電路的時(shí)間常數(shù) ，壓電傳感，壓電傳感器具有器具有。v電路靈敏度：電路靈敏度： 在在 時(shí)，有時(shí)，有 ，即，即。03 dBL2233)/1 ()(RCCCdFUKacimimu1/0)(33aciuCCCdK（2 2）電荷放大器）電荷放大器v特點(diǎn)：具有深度負(fù)反饋的高增益放大器。特點(diǎn)：具有深度負(fù)反饋的高增益放大器。壓電材料壓電材料電荷放大器電荷放大器v放大器的等效電阻和電容：放大器的等效電阻和電容：v放大器的等效阻抗：放大器的等效阻抗： /v放大器的輸入電壓和電流：放大器的輸入電壓和電流：FiCAC)

18、1 (001ARRFiiiZUi iiCjZiR電荷放大器的等效電路和輸入信號(hào)電荷放大器的等效電路和輸入信號(hào)v等效電路：等效電路：v輸入電荷：輸入電荷： tjmeqqi電荷放大器的輸出電荷放大器的輸出v輸入電流：輸入電流：v輸出電壓：輸出電壓：tjmeqjdtdqi)1 (1)1 (10000FcaFaiscCACCjRARqAjUAU電荷放大器輸出的說(shuō)明電荷放大器輸出的說(shuō)明v傳感器的輸出值約為：傳感器的輸出值約為： ；所以要；所以要求反饋電容求反饋電容 具有良好的穩(wěn)定性具有良好的穩(wěn)定性; v3dB3dB截止頻率：截止頻率：FscCqUFCFFLCR1電荷和電壓放大器的性能比較電荷和電壓放大器

19、的性能比較電壓放大器電壓放大器電荷放大器電荷放大器3dB3dB下限頻率：下限頻率：3dB3dB下限頻率：下限頻率：輸出電壓：輸出電壓： 輸出電壓：輸出電壓： 屏蔽線必須與標(biāo)定時(shí)一致！屏蔽線必須與標(biāo)定時(shí)一致！屏蔽線不一定與標(biāo)定時(shí)一致！屏蔽線不一定與標(biāo)定時(shí)一致！必須使用屏蔽線與傳感元件連接！必須使用屏蔽線與傳感元件連接！0LFFLCR1FscCqUicamimCCCFdU331/L1/L第四節(jié)第四節(jié) 誤差效應(yīng)和補(bǔ)償誤差效應(yīng)和補(bǔ)償v環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響 進(jìn)行人工老化處理等。進(jìn)行人工老化處理等。v濕度的影響濕度的影響進(jìn)行清潔和密封。進(jìn)行清潔和密封。v噪聲噪聲 包括電纜噪聲和接地噪聲。包括電纜噪

20、聲和接地噪聲。第五節(jié)第五節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 1 1、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 v特點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命特點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。 v應(yīng)用：在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的應(yīng)用：在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和振動(dòng)和沖擊測(cè)量沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v工作原理工作原理: : 有慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為有慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

21、: :表明電荷量直接反映加速度大小。它的靈敏度與壓電表明電荷量直接反映加速度大小。它的靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。 v實(shí)際工作方式實(shí)際工作方式: : 一般壓電片的連接方式有兩種一般壓電片的連接方式有兩種- -并聯(lián)和串聯(lián)并聯(lián)和串聯(lián). .有有: : , madFdq3333 CC;UU;q q22 CC;UU;q q212 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v說(shuō)明說(shuō)明: : 在兩種接法中，在兩種接法中，并聯(lián)接法并聯(lián)接法輸出電荷大，時(shí)輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。而以

22、電荷作為輸出量的場(chǎng)合。而串聯(lián)接法串聯(lián)接法，輸出，輸出電壓大，本身電容小，電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出適用于以電壓作為輸出信號(hào)，信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng) 壓電式加速度傳感器可用質(zhì)量，彈簧、阻壓電式加速度傳感器可用質(zhì)量，彈簧、阻尼的二階系統(tǒng)來(lái)模擬尼的二階系統(tǒng)來(lái)模擬. .設(shè)被測(cè)振動(dòng)體位移設(shè)被測(cè)振動(dòng)體位移 ，質(zhì)量塊相對(duì)位移質(zhì)量塊相對(duì)位移 ，則質(zhì)量塊與被測(cè)振動(dòng)體，則質(zhì)量塊與被測(cè)振動(dòng)體的相對(duì)位移為的相對(duì)位移為 ，根據(jù)牛頓第二定律，有，根據(jù)牛頓第二定律，有: : 0 xmxix20200202dtx

23、d)xx(mkdt)xx(dmcdt)xx(dmmm 20020021 DDaxxmkmc2 mk 0 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器頻率傳遞函數(shù)，有頻率傳遞函數(shù)，有: :幅頻特性為幅頻特性為: : 相頻特性相頻特性: :20202000)(211axxm 18012200 arctanj)j(axxm 0202000211 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v主要性能主要性能: :壓電式加速度傳感器靈敏度壓電式加速度傳感器靈敏度 當(dāng)被測(cè)體振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于傳感器固有頻率當(dāng)被測(cè)體振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的相對(duì)靈敏度為常數(shù)，有時(shí)，傳感器的相對(duì)靈敏度為常數(shù)，有: : 202202

24、033021 ykdaq20330 ykdaq 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v兩點(diǎn)說(shuō)明兩點(diǎn)說(shuō)明: :由于傳感器固有頻率很高，因此頻率范圍較寬，由于傳感器固有頻率很高，因此頻率范圍較寬，一般在幾一般在幾HzHz到幾千到幾千HzHz。 傳感器低頻響應(yīng)與前置放大器有關(guān)。若采用電壓傳感器低頻響應(yīng)與前置放大器有關(guān)。若采用電壓前置放大器，那么低頻響應(yīng)將取決于變換電路的前置放大器，那么低頻響應(yīng)將取決于變換電路的時(shí)間常數(shù)。前置放大器輸入電阻越大，則傳感器時(shí)間常數(shù)。前置放大器輸入電阻越大，則傳感器下限頻率越低。下限頻率越低。 第五節(jié)第五節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用壓電薄膜交通傳感器壓電薄膜交通傳

25、感器 v應(yīng)用應(yīng)用 美國(guó)美國(guó)MSIMSI公司經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出的一種傳感公司經(jīng)過(guò)多年研究，開(kāi)發(fā)出的一種傳感器，器，用于檢測(cè)車速、動(dòng)態(tài)稱重（用于檢測(cè)車速、動(dòng)態(tài)稱重（WIMWIM）、收費(fèi)站地）、收費(fèi)站地 磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控及交通信息采集磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控及交通信息采集（道路監(jiān)控）等領(lǐng)域?？色@取精確的、具體的數(shù)據(jù)，（道路監(jiān)控）等領(lǐng)域?？色@取精確的、具體的數(shù)據(jù)，如精確速度信號(hào)、分類信息和長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)如精確速度信號(hào)、分類信息和長(zhǎng)期反饋交通信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。計(jì)數(shù)據(jù)。 壓電薄膜交通傳感器壓電薄膜交通傳感器v壓電薄膜交通傳感器是由金屬芯線、壓電材料壓電薄膜交通傳感器是由金屬芯線、壓電材料

26、（VDF-TrFEVDF-TrFE）和金屬外殼組成）和金屬外殼組成 ；v安裝方式：安裝方式：產(chǎn)品主要特性產(chǎn)品主要特性 v芯線：芯線：16AWG 16AWG 扁平編織鍍銀銅芯線扁平編織鍍銀銅芯線；v外形尺寸外形尺寸: 6.6mm6.6mm寬寬 x 1.6mmx 1.6mm厚；厚；v芯線與屏蔽層間的絕緣電阻：芯線與屏蔽層間的絕緣電阻：500M500M歐；歐；v輸出一致性：傳感器長(zhǎng)度方向的輸出一致性在輸出一致性：傳感器長(zhǎng)度方向的輸出一致性在用于動(dòng)態(tài)稱重（用于動(dòng)態(tài)稱重（WIMWIM）時(shí)為）時(shí)為7%7%，用于其它用，用于其它用途，如車輛分類統(tǒng)計(jì)、車速監(jiān)測(cè)、闖紅燈拍照途，如車輛分類統(tǒng)計(jì)、車速監(jiān)測(cè)、闖紅燈拍

27、照等時(shí)為等時(shí)為20%20%。v工作溫度范圍：工作溫度范圍：-40 80 -40 80 （1 1）車速監(jiān)測(cè)）車速監(jiān)測(cè) 通常在每條車道上安裝兩條傳感器，當(dāng)輪胎通常在每條車道上安裝兩條傳感器，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器經(jīng)過(guò)傳感器A A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器傳感器B B時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距離一般是離一般是3 3米，或比米，或比3 3米短一些（可根據(jù)需要確米短一些（可根據(jù)需要確定）。由此可得出車速。定）。由此可得出車速。 根據(jù)德國(guó)根據(jù)德國(guó)PTFPTF的報(bào)告，當(dāng)汽車以的報(bào)告，當(dāng)汽車以200200公里公里/小小時(shí)的勻速行駛時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到時(shí)的勻速行駛時(shí)，測(cè)量精度可達(dá)到