壓電傳感器測(cè)量電路課件

一、壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。12/15/20221一、壓電傳感器的工作原理12/11/20221（一）壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。12/15/20222（一）壓電效應(yīng)12/11/20222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；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而很快泄漏、消失。12/15/20223當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的二、壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料有許多：主要有壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料，另外還有水溶性和鈮酸鋰壓電晶體及壓電半導(dǎo)體。1、石英晶體12/15/20224二、壓電材料的分類及特性12/11/20224天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

12/15/20225天然形成的石英晶體外形（續(xù)）12/11/20225石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝12/15/20226石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝12/11/20石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振12/15/20227石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，2、壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。12/15/202282、壓電陶瓷12/11/20228壓電陶瓷外形

12/15/20229壓電陶瓷外形12/11/20229無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

12/15/202210無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）3、高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。12/15/2022113、高分子壓電材料12/11/202211高分子壓電薄膜及拉制12/15/202212高分子壓電薄膜及拉制12/11/202212高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

12/15/202213高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜1可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

12/15/202214可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器

12/15/202215壓電式腳踏報(bào)警器12/11/2022高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）壓電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式，串聯(lián)可提高輸出電壓，并聯(lián)可提高輸出電荷。12/15/202216高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）壓電元件有串聯(lián)和并二、測(cè)量電路1、傳感器等效電路壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為

式中，ε0為真空介電常數(shù)：ε為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；h為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。

12/15/202217二、測(cè)量電路12/11/202217因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如下圖a所示，也可以等效為—個(gè)電壓源，如下圖b所示。壓電傳感器與測(cè)量儀表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容C，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。a)電荷源b)電壓源

12/15/202218因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)2、基本測(cè)量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。

12/15/2022192、基本測(cè)量電路12/11/202219（1）電壓放大器

壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖a所示。圖b是簡化后的等效電路，其中，ui為放大器輸入電壓；C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。

如果壓電傳感器受力為:F=Fmsinωt；則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為

a)b)12/15/202220（1）電壓放大器而在放大器輸入端形成的電壓為

當(dāng)＜＜1時(shí)，放大器的輸入電壓為

12/15/202221而在放大器輸入端形成的電壓為12/11/202221（2）電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中C為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的意義與電壓放大器相同。

12/15/202222（2）電荷放大器12/11/202222如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為：Qi=Q-Qf

式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。所以有

12/15/202223如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為故放大器的輸出電壓為當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>>時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為12/15/20222412/11/202224四通道電荷放大器外形.12/15/202225四通道電荷放大器外形.12/11/202上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)12/15/202226上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)靈敏超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)12/15/202227超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo):

一、壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。12/15/202228一、壓電傳感器的工作原理12/11/20221（一）壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。12/15/202229（一）壓電效應(yīng)12/11/20222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；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而很快泄漏、消失。12/15/202230當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的二、壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料有許多：主要有壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料，另外還有水溶性和鈮酸鋰壓電晶體及壓電半導(dǎo)體。1、石英晶體12/15/202231二、壓電材料的分類及特性12/11/20224天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

12/15/202232天然形成的石英晶體外形（續(xù)）12/11/20225石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝12/15/202233石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝12/11/20石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振12/15/202234石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，2、壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。12/15/2022352、壓電陶瓷12/11/20228壓電陶瓷外形

12/15/202236壓電陶瓷外形12/11/20229無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

12/15/202237無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）3、高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。12/15/2022383、高分子壓電材料12/11/202211高分子壓電薄膜及拉制12/15/202239高分子壓電薄膜及拉制12/11/202212高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

12/15/202240高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜1可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

12/15/202241可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板壓電式腳踏報(bào)警器

12/15/202242壓電式腳踏報(bào)警器12/11/2022高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）壓電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)形式，串聯(lián)可提高輸出電壓，并聯(lián)可提高輸出電荷。12/15/202243高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應(yīng)）壓電元件有串聯(lián)和并二、測(cè)量電路1、傳感器等效電路壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為

式中，ε0為真空介電常數(shù)：ε為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；h為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。

12/15/202244二、測(cè)量電路12/11/202217因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如下圖a所示，也可以等效為—個(gè)電壓源，如下圖b所示。壓電傳感器與測(cè)量儀表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容C，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。a)電荷源b)電壓源

12/15/202245因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)2、基本測(cè)量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測(cè)量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測(cè)量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。

12/15/2022462、基本測(cè)量電路12/11/202219（1）電壓放大器

壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如下圖a所示。圖b是簡化后的等效電路，其中，ui為放大器輸入電壓；C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。

如果壓電傳感器受力為:F=Fmsinωt；則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為

a)b)12/15/202247（1）電壓放大器而在放大器輸入端形成的電壓為

當(dāng)＜＜1時(shí)，放大器的輸入電壓為

12/15/202248而在放大器輸入端形成的電壓為12/11/202221（2）電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。下圖是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中C為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的意義與電壓放大器相同。

12/15/202249（2）電荷放大器12/11/