傳感器原理 壓電式傳感器

傳感器原理壓電式傳感器第一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/131§8.1壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，在受到一定方向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，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)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(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，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”,又稱為電致伸縮效應(yīng)--驅(qū)動(dòng)器。FF極化面Q壓電介質(zhì)機(jī)械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性第二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/132壓電傳感器的特點(diǎn)

1）磁電式速度傳感器響應(yīng)頻率范圍窄；2）磁電式機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞；3）磁電式傳感器質(zhì)量大，造成系統(tǒng)附加質(zhì)量大。與磁電式傳感器的比較：力敏感傳感器，可測(cè)力、壓力、加速度等雙向有源傳感器體積小、重量輕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠頻帶寬第三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/133

各種小巧的壓力傳感器

壓電傳感器的外形

壓力變送器部件

壓力變送器

第四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/134一、石英晶體（SiO2)的壓電效應(yīng)特點(diǎn)：石英晶體是各向異性晶體晶體分右（左）旋外形規(guī)則xyz第五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/135石英晶體的三個(gè)晶軸光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。電軸（X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸（Y軸）：垂直于XZ面，在電場(chǎng)作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯。第六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/136石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理電偶極矩P=qL,q為電荷量,L為正負(fù)電荷之間距離。2O2-Si4+L第七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/137+++---XYP1P2P3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邊形的頂角上,形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶體表面不產(chǎn)生電荷,即呈中性。第八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/138受到X方向的力—縱向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合。電偶極矩在x方向上的分量由于P3的減小和P1、P2的增加而不等于零,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí),電荷的極性也隨之改變。第九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/139受到Y(jié)方向的力—橫向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),P3增大,P1、P2減小。在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷,它的極性為：x軸正向?yàn)樨?fù)。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí),電荷的極性也隨之改變。第十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1310受到Z方向的力—沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+++---XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力,因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同,所以正負(fù)電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力,晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1311受到三向等壓力—沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+++---XYP1P2P3如果沿x、y、z軸方向施加相同的作用力,只有體積變化，沒有形變，正負(fù)電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零，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)。第十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1312二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí),電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,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,不具有壓電性質(zhì)。第十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1313壓電陶瓷極化處理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),趨向于按外電場(chǎng)方向的排列,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,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí),外電場(chǎng)去掉后,電疇的極化方向變化不大,即剩余極化強(qiáng)度很大,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Z軸方向。E第十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1314壓電效應(yīng)演示第十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1315三、壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算1、壓電效應(yīng)的表達(dá)式：σj:j方向的應(yīng)力dij:j方向的力使得i面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù)ij:j方向的力在i面產(chǎn)生的電荷密度電荷量：面積第十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1316x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在i面上產(chǎn)生電荷。1、2、3分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的單向正應(yīng)力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力X0°切型石英晶體切片的力——電分布xz3(

1)

2

1465(3)(2)(1)(3)(2)ij=dijj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y第十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1317壓電特性的矩陣表示矩陣的重要性第十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1318關(guān)于壓電特性矩陣的說明：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)弱若矩陣中某一dij=0,則表示在j方向上的應(yīng)力在i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、轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)設(shè)計(jì)思考：測(cè)量什么？如何測(cè)量？第十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1319壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式厚度拉（壓）型長(zhǎng)度拉（壓）型第二十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1320厚度切變型厚度切變型三力相等：壓電陶瓷受壓變體積型第二十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1321正壓電效應(yīng)與剪切壓電效應(yīng)比較第二十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13222、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算㈠在x面上產(chǎn)生電荷：⑴在1作用下，產(chǎn)生厚度變形（縱向壓電效應(yīng)）第二十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1323⑵在2作用下，產(chǎn)生長(zhǎng)度變形（橫向壓電效應(yīng)）由石英晶體的對(duì)稱性：第二十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1324⑶在3作用下，沒有壓電效應(yīng)⑷實(shí)驗(yàn)研究，在剪切應(yīng)力4、

5、

6作用下：第二十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1325在x面上產(chǎn)生電荷：第二十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1326㈡實(shí)驗(yàn)研究，在y面上產(chǎn)生電荷其它方向的壓電系數(shù)為：正應(yīng)力：剪切應(yīng)力：㈢在Z面上產(chǎn)生電荷第二十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1327石英晶體的壓電方程第二十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1328第二十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1329石英晶體的基本變形形式厚度受力變形（d11)長(zhǎng)度受力變形（d12)xyz11+-zxy22+-第三十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1330面剪切變形(d14)xyz+-4面剪切變形(d25)yxz+-5第三十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1331厚度剪切變形(d26)yxz6+-第三十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13323、壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面

電荷計(jì)算zxy123z:極化方向；x、y可以互換。第三十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13331）在1、2、3作用下，z面產(chǎn)生電荷(d31≠0,d32≠0,d33≠0）xyz123可以互換方向：x(或1)和y（或2）；推論：x、y方向的剪應(yīng)力可以互換，即數(shù)字4、5。第三十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13342）在4作用下，在y面產(chǎn)生電荷(d24≠0）——厚度切變型yz4第三十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13353）在T5作用下，在x面產(chǎn)生電荷(d15≠0）——厚度切變xz5第三十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1336壓電陶瓷壓電方程第三十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1337第三十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1338壓電陶瓷變形形式：厚度變形：d33長(zhǎng)度變形：d31、d32厚度剪切變形：d24、d15體積變形：d31、d32、d33第三十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1339練習(xí)例1、已知石英晶體的壓電系數(shù)矩陣如下所示，當(dāng)晶體受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，有哪幾種變形方式具有力—電能量轉(zhuǎn)換的作用（即具有壓電效應(yīng)）？

d11d120d1400dij=

0000d25d26000000壓電陶瓷第四十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1340§8.2壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高分子壓電材料壓電材料：明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料。性能要求：大壓電系數(shù)、剛度、電阻率和介電系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度高、居里點(diǎn)高等。常用壓電材料：第四十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1341一、壓電晶體1、石英晶體的幾何切型：在晶體坐標(biāo)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、酒石酸鉀鈉、電氣石、鱗酸銨、硫酸鋰等.第四十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1342X切族X切族的IRE表示方法：xyY切族的IRE表示方法：yx第四十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1343幾何切型的表示方法：切型代號(hào)：表示原始方位晶片旋轉(zhuǎn)角：從x或y的正端看，逆時(shí)針為+，順時(shí)針為-旋轉(zhuǎn)軸例如：（xytl)+50/(-500)第四十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1344石英晶體的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx習(xí)慣表示習(xí)慣表示第四十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1345例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’35015’xyzy’z’35015’第四十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1346例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：zyxxyz50zyx500繞厚度軸轉(zhuǎn)繞長(zhǎng)度軸轉(zhuǎn)第四十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13472、石英晶體的主要性能不需要人工極化沒有熱釋電效應(yīng)介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點(diǎn)溫度高：5730C居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高第四十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1348二、壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）：1）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)而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N，是石英的幾十倍；4）工作溫度最高只有80℃,溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。鈮酸鋰（LiNbO3)單晶：1）多疇結(jié)構(gòu)，需要極化處理；2）壓電常數(shù)達(dá)80PC/N;3)工作溫度760℃。第四十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1349壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）：(有4、5、8等多種系列）1）目前普遍使用；2）是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成；3）d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作溫度250℃。性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇。第五十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1350三、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，由晶型轉(zhuǎn)化為晶型，此時(shí)有壓電效應(yīng)；壓電常數(shù)在拉伸長(zhǎng)度方向最大，d31=20PC/N,垂直于長(zhǎng)度方向的壓電常數(shù)d320.2d31;頻響范圍寬，10-5Hz~500MHz;柔軟，加工性能好；聲阻抗與水、人體肌肉接近；熱穩(wěn)定性好。第五十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1351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？如果溫度環(huán)境好，靈敏度要求較高呢？第五十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1352§8.3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,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為：力電荷電容器電荷發(fā)生器A——壓電片的面積;d——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。第五十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1353電荷等效電路電壓等效電路第五十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1354考慮實(shí)際使用的等效電路－實(shí)際使用時(shí)與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接,因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,壓電傳感器的泄漏電阻Ra，和放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci。Ci第五十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1355壓電傳感器的特點(diǎn)以及對(duì)信號(hào)處理電路的要求：特點(diǎn)：有源傳感器高阻抗傳感器小功率要求：阻抗變換信號(hào)放大第五十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1356測(cè)量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高,而輸出能量較小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;2）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。輸出形式：電壓信號(hào)、電荷信號(hào)作用要求第五十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1357前置放大器兩種形式:電壓放大器和電荷

放大器。一、電壓放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin第五十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1358KUaCaRC以壓電陶瓷為壓電材料(縱向壓電效應(yīng)）：厚度方向第五十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1359前置放大器輸入電壓幅值為：第六十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1360輸入電壓與作用力之間的相位差為：理想情況下（輸入電阻Ri＝、且無漏電：Ra＝）R=Ri||Ra=,放大器輸入電壓幅值為：頻率特性第六十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1361令：φωτ00901.0UinmUam0.51234從幅度-頻率曲線能得到什么結(jié)論？第六十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1362討論：ω=0時(shí)（靜態(tài)），Uinm/Uam=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測(cè)量靜態(tài)量。>3（動(dòng)態(tài)），Uinm/Uam≈1，接近理想特性。一定頻率范圍，輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。τ一定，ω越高，響應(yīng)越好。對(duì)低頻：τ一定，ω↓誤差加大。要求τ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電容影響。第六十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1363改善低頻特性的措施：靈敏度：低頻特性和靈敏度要求矛盾第六十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1364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Ri。討論：電路簡(jiǎn)單、可靠、元件少、價(jià)格低;電纜長(zhǎng)度有限（1.2m),不能更換。電壓放大器電路特點(diǎn)：不能靠增加電容改善低頻特性。第六十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1365二、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KUscCfqa第六十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1366RfkUscCfCiCcCaq當(dāng)開環(huán)增益、輸入電阻和反饋電阻相當(dāng)大，Cf折算到輸入端后的輸入電容為：開環(huán)增益第六十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1367Conclusions:輸出與電纜電容無關(guān)電纜可長(zhǎng)達(dá)1km；可更換。Rf提供直流負(fù)反饋減小零漂、提高穩(wěn)定度。可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量：τ=RfCf大，可測(cè)很低頻率的信號(hào)。第六十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1368例題：已知電荷放大器的反饋電容Cf＝50pf，輸入電容Ci＝0，反饋電阻Rf＝1M，電纜電容Cc＝300pf，壓電片的Ca＝100pf,Ra＝,放大器的開環(huán)增益K＝104，求將放大器理想化后引起的誤差？解：理想情況下，實(shí)際誤差：第六十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1369基座壓縮型壓電加速度傳感器§8.4壓電式傳感器§8.4.1壓電加速度傳感器殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片壓電片第七十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1370一、工作原理壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測(cè)量時(shí)傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用石英晶體等的壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受振時(shí)，質(zhì)量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。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)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。第七十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1371第七十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1372[質(zhì)量塊的絕對(duì)位移x2，激勵(lì)為x1，質(zhì)量塊相對(duì)位移xt]二、頻響特性－受力分析第七十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1373傳遞函數(shù)xt-質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器殼體的位移a0-被測(cè)物體的振動(dòng)加速度ω-振動(dòng)體振動(dòng)角頻率ω0-傳感器固有角頻率ξ-阻尼比第七十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1374頻響特性：在壓電元件的線彈性工作范圍內(nèi)，有：作用在壓電元件上的力相對(duì)位移第七十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1375作用在厚度拉壓型壓電陶瓷上的力第七十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1376當(dāng)ω/ω0相當(dāng)小時(shí)，有：第七十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1377頻率比ω/ω0相對(duì)靈敏度00.11.04.01.00.12.0幅頻響應(yīng)曲線(歸一化曲線）＝10520.7070.50.2第七十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1378仿真結(jié)果：第七十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1379討論：當(dāng)ω<<ω0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變形很?。▌偠萲很大），所以壓電式加速度傳感器的ω0很大（頻帶較寬）（一般可達(dá)幾十千赫），所以頻響范圍寬、高頻響應(yīng)好。測(cè)量上限不能取固有頻率，實(shí)際工作頻段取為（1/5）ω0左右。低頻響應(yīng)取決于測(cè)量回路，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)越大，低頻響應(yīng)越好。第八十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1380壓電元件的組合方式第八十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1381串聯(lián);電荷相等電壓相加電容減小并聯(lián)：電壓相等電荷相加電容相加第八十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1382三、壓電加速度傳感器常用結(jié)構(gòu)1、壓縮型質(zhì)量塊外殼壓電元件基座第八十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1383特點(diǎn)：基于厚度變形,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；固有頻率較高；靈敏度高（d11、d33大）；對(duì)環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、噪聲）比較敏感。第八十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1384壓電傳感器測(cè)量振動(dòng)的動(dòng)畫演示第八十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13852、剪切型環(huán)型剪切（壓電元件為柱裝圓環(huán)）外殼質(zhì)量塊壓電陶瓷元件中心柱基座膠接第八十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1386xyz44Z極化方向xy55壓電陶瓷第八十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1387三角剪切型預(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。第八十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1388H剪切型1）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；3）可以抑制應(yīng)變、熱感應(yīng)誤差，低頻好，0.1Hz.特點(diǎn)：壓電元件質(zhì)量塊緊固螺栓螺帽第八十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1389剪切型總的特點(diǎn)：受環(huán)境影響小橫向靈敏度小尺寸小、重量輕靈敏度高頻響高第九十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1390(a)中心安裝壓縮型

(b)環(huán)形剪切型

(c)三角剪切型壓縮型：壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，結(jié)構(gòu)共振頻率高?；鵅與測(cè)試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響輸出。此外，測(cè)試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化，易引起溫度漂移。環(huán)形剪切型：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型化、高共振頻率，環(huán)形質(zhì)量塊粘貼到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。三角剪切形：壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。結(jié)

構(gòu)

比

較第九十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1391產(chǎn)品外形。壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起。第九十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13923、三向加速度傳感器第一組：壓縮型第二組：剪切型第三組：剪切型預(yù)緊筒壓電元件方法：利用三組石英壓電元件,共用質(zhì)量塊第九十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1393思考1：如何實(shí)現(xiàn)三個(gè)壓電片值只對(duì)一個(gè)方向敏感？思考2：分析d25的影響。(面內(nèi)剪切）FXFZFYyx切型xy切型yx切型d26d26d11答：依靠慣性質(zhì)量塊和合理的壓電切型。第九十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1394第九十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1395用于振動(dòng)

分析

振動(dòng)分析部分工具：加速度計(jì)、力傳感器

第九十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1396HP振動(dòng)分析系統(tǒng)組成第九十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1397§8.4.2壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器用途舉例：機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測(cè)量等。壓電常數(shù)：d11。石英晶體F特點(diǎn)：體積小，重量輕（10g），固有頻率高（50KHz），分辨力高：10－3N。第九十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13982、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；第九十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/1399雙向力傳感器俯視圖第一百頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/131003、三向力傳感器FXFZFY第一百零一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13101三向力傳感器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)加載位置第一百零二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13102“y”測(cè)量電路改為“3”第一百零三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13103二、壓力傳感器

膜片式壓電壓力傳感器后座墊圈外殼石英晶片導(dǎo)電片傳力塊膜片石英晶片P第一百零四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13104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：膜片產(chǎn)生彎曲變形。解決方法：采用預(yù)緊筒；先預(yù)緊，后焊接膜片。第一百零五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13105F1：石英晶片上受到的力F2：預(yù)緊筒圓周受到的力晶片組加載板殼體FFF1F2第一百零六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13106k1：石英晶片組的剛度k2：預(yù)緊筒的剛度設(shè)計(jì)要求：k2<<k1。優(yōu)點(diǎn)：1）線性度好；2）利用水冷方式提高工作溫度。第一百零七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13107第一百零八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13108三、壓力傳感器的加速度補(bǔ)償補(bǔ)償方法1：減小慣性質(zhì)量補(bǔ)償方法2：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：由于加速度的作用，壓電元件上受到與總質(zhì)量成正比的慣性力的作用而產(chǎn)生電荷輸出，與壓力信號(hào)混疊，造成測(cè)量誤差。第一百零九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13109補(bǔ)償方法3：雙膜片預(yù)加載（作用力相反）加速度補(bǔ)償上膜片預(yù)加載F1下膜片預(yù)加載F2上膜片的撓度變化為；下膜片的撓度變化為；設(shè)振動(dòng)位移為，方向朝上。石英晶體的厚度沒有變化。第一百一十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13110石英晶體的上表面作用力為：石英晶體的上表面作用力為：綜合效果：不產(chǎn)生電荷。對(duì)靈敏度的影響：由于兩個(gè)膜片對(duì)外力P相當(dāng)于并聯(lián)，所以每個(gè)膜片實(shí)際受力為P/2，所以靈敏度下降為原來的1/2。第一百一十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13111例2：已知一壓電式加速度傳感器的電壓放大器的總電容C=1000pf，總電阻R=500MΩ，傳感器的固有頻率為f0=30KHz,阻尼比=0.5,求幅值誤差在2%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？解：第一百一十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13112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；得到：不能測(cè)量靜態(tài)量的原因：電荷通過并聯(lián)電阻泄漏。第一百一十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13113§8.5誤差分析一、環(huán)境溫度的影響溫度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。第一百一十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13114熱釋電效應(yīng)的影響熱釋電效應(yīng)：晶體材料在溫度變化時(shí)釋放電荷的現(xiàn)象.對(duì)多晶壓電陶瓷，溫度變化→產(chǎn)生電荷特點(diǎn)：低頻，<1Hz;解決方法：電路的截止頻率>2Hz;第一百一十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13115瞬變溫度的影響溫度梯度→熱應(yīng)力→熱輸出防止措施：①采用剪切型：壓電片與殼體隔離、中心柱與基座隔離；②冷卻：注入循環(huán)水質(zhì)量塊壓電陶瓷元件第一百一十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13116③采用隔熱片：膜片與壓電元件之間放置非極化鋯鈦酸鉛陶瓷等導(dǎo)熱率小的隔熱墊片；第一百一十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13117④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。）第一百一十八頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13118二、環(huán)境濕度的影響絕緣電阻（泄漏電阻）↓→τ↓→低頻響應(yīng)變壞三、橫向靈敏度KyKx最大橫向靈敏度主軸靈敏度最大靈敏度θφ現(xiàn)象：傳感器最大靈敏度方向與主軸不重合。原因：切片方向、極化方向（壓電陶瓷）、表面粗糙度、兩個(gè)平面的平行度和安裝等。第一百一十九頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/131190306090120150180210240270300330最大橫向靈敏度方向橫向靈敏度與加速度方向的關(guān)系理想橫向加速度方向第一百二十頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13120測(cè)試橫向靈敏度示意圖選擇最小橫向靈敏度方向第一百二十一頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13121四、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。金屬屏蔽層絕緣層芯線五、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。解決方法：固定電纜第一百二十二頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13122六、接地回路噪聲電路一點(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“一點(diǎn)接地”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“一點(diǎn)接地”。第一百二十三頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13123本章要點(diǎn)壓電傳感器的工作原理:壓電效應(yīng)石英晶體三晶軸：光學(xué)軸（z）、機(jī)械軸（y）、電軸（x）壓電方程變形形式：厚度變形（d11）長(zhǎng)度變形（d12）、厚度剪切變形（d14、d25）、面剪切變形（d26）切型：X切、Y切壓電陶瓷極化壓電方程變形形式：厚度變形（d33）、長(zhǎng)度變形（d31、d32）、厚度剪切變形（d24、d15）、體積變形（d31、d32、d33）第一百二十四頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13124壓電傳感器的測(cè)量電路等效電路：電荷發(fā)生器、電壓源電壓放大器：不能測(cè)靜態(tài)量，如何改善低頻響應(yīng)電荷放大器：輸出與電纜電容無關(guān)，可測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)量壓電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)。剪切式：結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。力傳感器壓力傳感器應(yīng)用第一百二十五頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13125壓電傳感器的特點(diǎn):力敏感傳感器、雙向有源傳感器、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、頻帶寬高阻抗傳感器、小功率。需要阻抗變換和信號(hào)放大存在橫向靈敏度問題第一百二十六頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13126作業(yè)8-2、8-5

第一百二十七頁，共一百三十三頁，2022年，8月28日2023/3/13127練習(xí)2、已知石英晶體的壓電系數(shù)矩陣如下所示，當(dāng)