传感器原理与应用-压电传感器-课件.ppt

1、传感器原理与应用传感器原理与应用压电传感器压电传感器第一节 压电传感器的概述压电式传感器的特点：压电式传感器的特点：是一种是一种自发电式自发电式传感器。它以某些电介质的传感器。它以某些电介质的压压电效应电效应为基础，在外力作用下，为基础，在外力作用下，在电介质表面产在电介质表面产生电荷生电荷，从而实现电量电测的目的。，从而实现电量电测的目的。压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以测量最终，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动动态力、动态压力、振动加速度态压力、振动加速度等，但等，但不能用于静态参数的不能用于静态参数的测量。测

2、量。压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。如果在压电材料的两个电极面上施加交流电如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩电致伸缩效应效应”，也叫做，

3、也叫做“逆压电效应逆压电效应”。逆压电效应实线代表未施加激励电压的形变前的状态实线代表未施加激励电压的形变前的状态虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的状态。后的状态。在激励源的负半周，压电材料压缩变形在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出未画出)。逆压电效应示意图煤气灶压电点火器另一种是利用压电陶瓷另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按制成的。使劲扭动打火按钮，钮，“撞击块撞击块”敲击多块敲击多块串联的压电陶瓷，就能产串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而生高电压，形成电火花而点燃煤气。压电陶瓷还可点燃煤气。压电陶瓷还可以制成电

4、子打火机，可使以制成电子打火机，可使用用100万次以上。万次以上。6 6煤气灶上的点火器有两煤气灶上的点火器有两种。一种为有源点火器，要种。一种为有源点火器，要依靠干电池逆变电路产生高依靠干电池逆变电路产生高压电火花；压电火花；石英晶体石英晶体的化学式为石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中，它的每个晶胞中有有3个硅离子和个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心无外力作

5、用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。个晶胞不呈现带电现象。天然石英晶体外形天然石英晶体外形（续）天然石英晶体的结构及剖面11天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为光轴，也称纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效轴，有折光效应，没有压电效应。应。经过正六面体棱线，并经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴垂直于光轴的轴线称为电轴，也称也称x x轴轴；经过正六面体的经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称棱面且

6、垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称为机械轴，也称y y轴轴。天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的用的石英晶片。正方形薄片的6 6个面分别垂直于光轴（个面分别垂直于光轴（z z轴）、电轴（轴）、电轴（x x轴）和机械轴（轴）和机械轴（y y轴）。轴）。石英晶体切片的三个面（续）在在x面的两个表面施加压力，在面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电面的上下表面产生电荷；荷；在在y两个表面施加压力，仍然只在

7、两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。面产生电荷。l、b分别为分别为石英晶片的长度、石英晶片的长度、厚度和高度。厚度和高度。电电荷只产生在与荷只产生在与x轴轴垂直的垂直的x面的前后面的前后两侧。两侧。石英晶体的特性石英（石英（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。如下两图。在在2020200200范围内，温度每升高范围内，温度每升高11，压电系数，压电系数仅减少仅减少0.016

8、0.016。但是当到。但是当到573573时，它突然完全失去时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的了压电特性，这就是它的居里点居里点。石英晶体的切片石英晶体片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较1.1.在晶体的弹性限度内，在在晶体的弹性限度内，在x x轴方向上施加压力轴方向上施加压力F Fx x时，在时，在x x面上产生的电荷为：面上产生的电荷为：QQ=d d1111F Fx x式中式中 的的 d d1111称为压电常数。称为压电常数。2.2.在在y y轴方向施加压力轴方向施加压力F Fy y时，仍然在时，仍然在x x面上产生电面

9、上产生电荷：荷：11ylQdF 石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电输出电压的频率与动态力的频率相同压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，当施加静态力时，在在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失所产生的电荷很快泄漏，并消失。1正电荷等效中心正电荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心压电效应的微观分析 未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠从宏观未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠从宏观上看，整体不带电上看，整体不带电1正电荷等效中心正电

10、荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，x面的上表面带正电，下表面带负电Q=d1111Fx 晶体沿晶体沿x x面受压力时的带电情况分析面受压力时的带电情况分析1正电荷等效中心正电荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心晶片沿晶片沿x x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离,x,x面面的上表面带负电的上表面带负电,下表面带正电。下表面带正电。受交变力时，产生交变电信号。受交变力时，产生交变电信号。y面受压力时的带电情况等效于沿面受压

11、力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。但产生的电轴方向施拉力的情况。但产生的电荷量可能比沿荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之轴方向施拉力时的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比比 l/的倍数而不同。的倍数而不同。沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生分离,x面的上表面带负电,下表面带正电11ylQdF 无论是沿无论是沿x轴方向施加力，还是沿轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在轴方向施加力，电荷只产生在x面上。面上。光轴（光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分

12、离，所以不会产生压电效应。所以不会产生压电效应。沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生分离,x面的上表面带正电,下表面带负电，带电的方向与x面受压力时的情况相同交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生交变电荷产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。等效于交变电荷源。第二节 压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：一类是一

13、类是压电晶体压电晶体（如上述的石英晶体）；（如上述的石英晶体）；另另一类是一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷；第三类是经；第三类是经过极化处理的过极化处理的高分子压电材料。高分子压电材料。压电材料的分类（一）石英晶体的特性石英晶体在石英晶体在2020200200的范围内压电常数的变化量的范围内压电常数的变化量只有只有-0.0001/-0.0001/。还具有自振频率高、动态响应好、。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：石英晶体的不

14、足之处是压电常数较小：d d=2.31=2.311010-12-12C/NC/N。因此石英晶体大多只在。因此石英晶体大多只在标准标准传感器传感器、高准确度传感器或使用高温压电传感器中使、高准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷压电陶瓷。28石英晶体的等效电路L1为动态电感为动态电感；C1为动态电容；为动态电容；R1为损耗电阻；为损耗电阻；C0为晶体的静态电容。为晶体的静态电容。石英晶体在振荡电路中工作时，石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率

15、。从而产生稳定的振荡输出频率。晶振晶振石英晶体还可制作晶体振荡器（晶振）石英晶体的切片方向与稳定性之间的关系必须严格控制晶片的切割必须严格控制晶片的切割角度。使在正常的工作温度角度。使在正常的工作温度范围内，不至超过所要求的范围内，不至超过所要求的容许误差。容许误差。晶片在切割、抛光的连续晶片在切割、抛光的连续加工过程中，都会因加工的加工过程中，都会因加工的准确度不同，导致一定的离准确度不同，导致一定的离散型，使温度漂移变大，灵散型，使温度漂移变大，灵敏度不一致等。敏度不一致等。（二）压电陶瓷的特性 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的它比石英晶体

16、的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造，而制造成本却较低成本却较低，因此目前国内外生产的压电元，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶。常用的压电陶瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiOBaTiO3 3等）等）。压电陶瓷外形 压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种压电陶瓷是一种多晶压电材料多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件下，经在一定的工艺条件下，经1000以上高温烧结、机械加以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的

17、形状。烧结而成的工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电压电陶瓷由无数细微的电畴组成陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始原始的压电陶瓷呈中性的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质不具有压电性质。为了使压电陶瓷具。为了使压电陶瓷具有压电效应有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上用上千伏高电压进行千伏高电压进行极化处理极化处理，使

18、电畴的方向趋向一致使电畴的方向趋向一致，冷，冷却后就具有压电效应。却后就具有压电效应。压电陶瓷的极化处理 a）极化处理前电畴杂乱分布）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布）冷却、稳定后的电畴分布1镀银上电极镀银上电极 2压电陶瓷压电陶瓷 3镀银下电极镀银下电极 4电畴电畴 5极化高压电源极化高压电源 细微的电畴极化方向细微的电畴极化方向压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取。常用压电陶瓷材

19、料的极化温度取320420K，极化时间从几分钟，极化时间从几分钟到几十分钟。到几十分钟。常用的压电陶瓷材料（1 1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）：是由钛酸铅：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数 d d（200200500500）1010-12-12C/NC/N。在上述材料中加入微量。在上述材料中加入微量的镧（的镧（LaLa）、铌（）、铌（NbNb）或锑（）或锑（SbSb）等，可以得到不）等，可以得到不同性能的同性能的PZTPZT材料。材料。（2 2）非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环能减少制造过

20、程中铅对环境的污染境的污染。BaTiOBaTiO3 3基无铅压电陶瓷、基无铅压电陶瓷、BNTBNT基无铅压电基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是是今后压电陶瓷的发展方向今后压电陶瓷的发展方向。无铅压电陶瓷 锆钛酸钡钙锆钛酸钡钙的压电系数达到的压电系数达到6 600pC00pC/N N，压电性，压电性能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境能已超

21、过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250250pCpC/N N）。无）。无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。压电陶瓷与石英晶体的特性比较 .（三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVFPVF）、改）、改性聚氯乙烯（性聚氯乙烯（PVCPVC）等。它是一种柔软的压）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等等

22、形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围测量动态范围可达可达80dB80dB。（三）高分子压电材料 高分子压电材料是一种柔性的压电元件。高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为密度仅为压电陶瓷的压电陶瓷的1 14 4，弹性柔顺常数比陶瓷大，弹性柔顺常数比陶瓷大3030倍。倍。可以在几十微米的可以在几十微米的PVDFPVDF压电膜上，压电膜上，两面蒸镀金、两面蒸镀金、银等金属电极银等金属电极，电极厚度约，电极厚度约0.

23、1m0.1m，再层压在，再层压在0.125mm0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。号引脚。高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声

24、纳器件、扬声器等。扬声器等。高分子压电材料的种类、加工典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2PVF2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯乙烯、改性聚氯乙烯（PVCPVC）、聚）、聚 甲基甲基L L谷氨酸酯谷氨酸酯(PMLG)(PMLG)、聚碳酸酯、聚碳酸酯(Pc)(Pc)和尼龙和尼龙1111等，等，灵敏度比压电陶瓷高十几倍灵敏度比压电陶瓷高十几倍，输出脉冲，输出脉冲电压可以直接驱动电压可以直接驱动CMOSCMOS集成门电路。集成门电路。将将PVDFPVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。树脂加热，用辊压机压制成膜或

25、电缆套管。定向拉伸的温度约为定向拉伸的温度约为120120，在拉伸薄膜的两面蒸镀，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为金、银等金属电极，电极厚度为0.1m0.1m。与压电陶瓷类似，与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理必须用高电压进行极化处理。薄。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。现出电压特性。极化场强约极化场强约5kV/mm5kV/mm，极化温度为，极化温度为8010080100，极化时间为，极化时间为3060min3060min。高分子压电薄膜及拉制、切片高分子压电材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制

26、成较大面积或较长不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB80dB，频率响应范围可从频率响应范围可从0.1Hz0.1Hz直至直至10109 9HzHz。工作温度一般低于工作温度一般低于100100。温度升高时，灵敏度将。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。宜暴晒，以免老化。高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）第三

27、节 压电传感器的测量转换电路 压电传感器的输出阻抗较大，压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又。又由于压电传感器的由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容输出电压与压电片的极间电容C Ca a以及传输线的对地分布电以及传输线的对地分布电容容C Cc c有关有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。现在多采用现在多采用“电荷放大器电荷放大器”来将来将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电压，属电荷转换为电压，属于于Q/UQ/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是

28、一种转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法习惯叫法。第三节 压电传感器的测量转换电路 压电元件的极间电容 压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将产生电荷，因此它相压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将产生电荷，因此它相当于一个电荷源。当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料当于一个电荷源。当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，两电极板间的电容为介质的电容器，两电极板间的电容C Ca a为为AC0ra式中式中A压电元件电极面积；压电元件电极面积；压电元件厚度；压电元件厚度；r压电材料的相对介电常数；压电材料的相对介电常数；0真空介电常数。真空

29、介电常数。外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下镀银电极之，但在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小于几秒，电荷的保存时间通常小于几秒,而且要求放大器的而且要求放大器的输入电阻输入电阻Ri无限大无限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。因此压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件的等效电路交变电荷源两端并联一个极间电容交变电荷源两端并联一个极间电容C Ca a和漏电电阻和漏电电阻R Ra a。极间电容极间电容C Ca a约为约为1000pF1000pF数量级，与压电片的面积成数量级，与压电片的面积成

30、正比，电阻正比，电阻RaRa应大于应大于1M1M。压电元件的图形符号及等效电路a）结构示意图）结构示意图 b）压电元件的符号）压电元件的符号 c）压电元件的等效电路）压电元件的等效电路1镀银上电极镀银上电极 2压电晶体压电晶体 3镀银下电极镀银下电极压电传感器的输出电压与等效电容的关系如果压电元件直接与放大器配套使用，如果压电元件直接与放大器配套使用，除了极间电容，还应除了极间电容，还应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分布电容考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分布电容C Cc c的影响的影响。如果忽略如果忽略R Ra a和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻R Ri i的影响，则有的影响，

31、则有式中式中C Ci i电压放大器的输入电容；电压放大器的输入电容；QQ压电元件输出的电荷量。压电元件输出的电荷量。屏蔽电缆的对地分布电容大约为屏蔽电缆的对地分布电容大约为100pF/m100pF/m。当。当屏蔽电缆较长屏蔽电缆较长时，时，C Cc c显著增大，显著增大，放大器的输入电压放大器的输入电压U U i i 将比压电传感器空载时将比压电传感器空载时的输出的输出U U o o小很多，且不稳定小很多，且不稳定。iaciQQUCCCC总压电传感器与二次仪表连接的等效电路Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻为放大器的输入电容和输入电阻电荷放大器原理电荷放大器是一个具有反馈电容电荷放大器是一

32、个具有反馈电容C Cf f的高增益运算放的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益大器电路。当放大器开环增益A A和输入电阻和输入电阻R R i i、反馈、反馈电阻电阻R Rf f（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放放大器的输出电压大器的输出电压U Uo o正比于输入电荷正比于输入电荷QQ，反比于反馈电，反比于反馈电容容C Cf f，而基本上与，而基本上与C Cc c、C Ca a、C Ci i无关：无关：off1AQQUA CC 电荷放大器1压电传感器压电传感器 2屏蔽电缆线屏蔽电缆线 3传输线分布电容传输线分布电容 4电荷放大器电荷放大器SC灵敏度选

33、择开关灵敏度选择开关 SR带宽选择开关带宽选择开关 Cf Cf 在放大器输入端的密勒等效电容在放大器输入端的密勒等效电容 CfCf在放大器输出端的密勒等效电容在放大器输出端的密勒等效电容电荷放大器基本电路电荷放大器原理分析 反馈电容反馈电容C Cf f 跨接在放大器的反相输入端和输出端跨接在放大器的反相输入端和输出端之间。之间。根据根据密勒等效定理密勒等效定理，相当于在输入端并联了一个，相当于在输入端并联了一个容量很大的等效电容容量很大的等效电容C Cf f。设运算放大器的开环增益数设运算放大器的开环增益数为为A Au u，通常约为，通常约为120dB120dB，相当于，相当于10106 6。

34、C Cf f=(1+=(1+A Au u)C Cf f，C Cf f的取值范围多为的取值范围多为100pF100pF 0.1F0.1F。若。若C Cf f取最小值取最小值100pF100pF，则等效电容，则等效电容C Cf f 约为约为100F100F。输入回路的总电。输入回路的总电容基本上由容基本上由C C f f决定决定C C总总=C Ca a +C Cc c +C C i i+(1+(1+A Au u)C C f f电荷放大器的输出电压式中式中QQ：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值；：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值；C Cf f：并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容并联

35、在放大器输入端和输出端之间的反馈电容当当A A足够大时，则足够大时，则(1+(1+A A)C C f f(C Ca a+C Cc c+C Ci i)，上式可化，上式可化简为简为由此可知由此可知,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关馈电容有关,电缆引线电容等因素的影响可忽略不计。电缆引线电容等因素的影响可忽略不计。oiacif=1QAQUAuACCCCA C 总off1AQQUA CC 压电传感器与电荷放大器及后续仪表的连接.反馈电容的选取当被测振动较小时，电荷放大器的当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容应取得小一些，反馈电容应取得小一些，可以取得

36、较大的输出电压可以取得较大的输出电压；为了进一步减少传感器输出电缆的分布电容对放大电路的影为了进一步减少传感器输出电缆的分布电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内，或紧靠在传感器附近；响，常将电荷放大器装在传感器内，或紧靠在传感器附近；为了防止因为了防止因C Cf f长时间充电导致集成运放饱和，在长时间充电导致集成运放饱和，在C Cf f上并联直上并联直流负反馈电阻流负反馈电阻R Rf f。改变反馈电容改变反馈电容C Cf f的大小，可以粗调灵敏度的大小，可以粗调灵敏度。C Cf f的调节范围可以从的调节范围可以从100pF100nF100pF100nF。1nF=1000pF1nF=

37、1000pF广义的机械灵敏度的分母用广义的机械灵敏度的分母用unitunit表示表示,取决于所用传感器的取决于所用传感器的机械单位。机械单位。例如：例如：加速度为加速度为g(g(或或m/Sm/S2 2),),压力为压力为kPakPa，动态力为动态力为N N（牛）等。（牛）等。电荷放大器的高频截止频率电荷放大器的电荷放大器的上限频率由运放的频率响应、电压上上限频率由运放的频率响应、电压上升率、噪声系数、线路的分布电容等决定升率、噪声系数、线路的分布电容等决定。如果电缆。如果电缆线太长，电缆电容和杂散电容增加，都会导致放大器线太长，电缆电容和杂散电容增加，都会导致放大器的高频特性变差。若忽略运放的

38、输入电容和输入电阻，的高频特性变差。若忽略运放的输入电容和输入电阻，则上限频率为则上限频率为 式中式中Rk和和Ck为电缆的等效电阻和等效电容，为电缆的等效电阻和等效电容，Cq为传为传感器的等效电容。为感器的等效电容。为提高信噪比，应选择上限频率为提高信噪比，应选择上限频率为被被测信号中最高频率三倍以上测信号中最高频率三倍以上的电荷放大器。的电荷放大器。Hk12()qkfR CC1 1）压电元件的输出电荷量）压电元件的输出电荷量QQ的有效值为多少库伦？的有效值为多少库伦？2 2）被测振动力）被测振动力F F 的有效值为多少？的有效值为多少？3 3）电荷放大器的灵敏度）电荷放大器的灵敏度K KQQ

39、为多少为多少mV/pCmV/pC？4 4）该电荷放大器的下限截止频率为多少赫？）该电荷放大器的下限截止频率为多少赫？例 某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=10010-12C/N，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=10M，测得A1的输出电压Uo=0.2V，求:4 4）下限频率：）下限频率：解 1）压电元件的输出电荷量Q的有效值 Q=CfUo=(100010-12F0.2V)=200pC12200mV1mV/pC200 10CQUKQ12121120010C2N10010C/NQFdL6-12ff1116Hz22 3.14 10 101000 10 sfR C2 2）被测振动力）被

40、测振动力3 3）灵敏度）灵敏度四通道电荷放大器外形 .某电荷放大器的前后面板某电荷放大器指标灵灵 敏敏 度：度：0.10.11000mV/pC1000mV/pC可调；可调；频率范围：频率范围：0.30.3100kHz100kHz；噪声噪声(最大增益时最大增益时)：折合至输入端：折合至输入端 小于小于5 5V V；准准 确确 度：度：1%1%；最大输出：最大输出：10V10V或或10mA10mA；电电源：源：220V/50Hz220V/50Hz；控制方式：控制方式：计算机、遥控或手动。计算机、遥控或手动。其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器多通道电荷放大器外形压电传感器只能应用于动

41、态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在交变力的。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故一定的电流，故只适用于动态测量只适用于动态测量（一般必须高于（一般必须高于3Hz3Hz，但在，但在30kHz30kHz以上时，灵敏度下降）。以上时

42、，灵敏度下降）。第四节 压电传感器的结构及应用 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴位粘贴位置置1.高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块 将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q

43、，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。2压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。1铜芯线（分布电容内电极）2管状高分子压电塑料绝缘层3铜网屏蔽层（分布电容外电极）4橡胶保护层（承压弹性元件）高分子压电电缆周界报警系统交通监测（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）

44、及机场滑行道等。机场滑行道等。将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：高分子压电电缆的应用演示集成脉搏传感器采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过压电薄膜转换成电荷量，再经传感器内部的电荷放大电路转换成输出电压。其他其他应用：应用：脉搏计数探测脉搏计数探测振动、冲击、碰撞报警振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量振动加速度测量管道压力波动管道压力波动其它机电转换、动态力检测等其它机电转换、动态力检测等 二、压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一

45、般常用的是并联接法。其总面（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并并为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。C并并=2C，U并并=U，Q并并=2Q利用压电传感器实现延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置传感器安装位置1刚性传力上盖 2压电片 3电极 4电极引出插头 5绝缘材料 6底座电荷Q的幅值与所受的动态力成正比，频率与振动的频率相同。依据电荷放大器的输出uo的幅值和频率，就可以测知动态力F：压电式单向动态力传感器ooP=sinF KuKUft(2）压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量 一体化车刀动态力测量

46、一体化车刀动态力测量YDS-III79K型压电石英三维力传感器特性指标项目数值z向测力范围/kgf1000 x、y向测力范围/kgf200分辨力/kgf0.001z向灵敏度/pC/kgf40 x、y向灵敏度/pC/kgf80刚度/kgf85固有频率/kHz1525非线性（%）1横向干扰（%）5温度系数/%1-0.04使用温度范围/-60120压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分压电式步态分析跑台析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训训练分析装置练分析装置压电传感器测量双压电传感器测量双腿跳的动态力腿跳的动态力第四节 振动测量及频谱分析 一、振动的基本概念一、振动的基本概念 物体在某一平

47、衡位置附近所做的物体在某一平衡位置附近所做的往复运动，称为机械振动，简称为振动。往复运动，称为机械振动，简称为振动。洗衣机洗衣机机床机床风机风机夯实机夯实机地震的巨大威力地震波形物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。从振动对象来分：有机械振动（例如机床、电机、泵风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等物体振动一次所需的时间称为周期,用T表示,单位是s。每秒振动的次数称频率，用f表

48、示,单位为Hz。振动物体的位移用x表示，偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用Am表示，单位为mm；振动的速度用v表示，单位为m/s；加速度用a表示，单位为m/s2。振动幅值随时间的变化得到的曲线，叫振动波形。振动的基本概念 振幅测振系统力学模型弹簧振子的简谐振动弹簧振子的简谐振动ffff简谐振动最基本的、最简单的周期振动。位移：x=Asin(t+)速度：v=Asin(t+/2)加速度：a=A2 sin(t+)位移、速度和加速度的关系：（1）都是同频率的简谐波；（2）三者的幅值依次为A、A、A2。（3）相位关系，加速度超前于速度90，速度超前于位移90。简谐振动的三个基本参数 峰值=A ；峰峰值=

49、2 A；有效值=0.707 A （峰值=1.414 有效值）。平均值=0.636 A。简谐振动的三个基本参数 正峰值正峰值A负峰值负峰值A有效值有效值峰峰值峰峰值二、测振传感器分类 测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。介绍压电式测振传感器及其应用。a）原理图）原理图 b）中心压缩式压电加速度传感器结构）中心压缩式压电加速度传感器结构 c）环形剪切式压电加速度传感器结构）环形剪切式压电加速度传感器结构 d）外形）外形1基座基座 2引出电极引出电极 3压电晶片压电晶片 4质量块质量块 5弹簧弹簧

50、6壳体壳体 7固定螺孔固定螺孔常用的压电式振动加速度传感器 （1）灵敏度K 压电式加速度传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2,所以灵敏度以pC/ms-2为单位,或用重力加速度pC/g。灵敏度的范围约为10100pC/g。目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单位也可以为mV/g，通常为101000mV/g。（2）频率范围 常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz20kHz.（3）动态范围 常用的测量范围为0.1100g，或1000m/s2。测量冲击振动时应选用10010000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动