1、涡街流量计迈克尔逊干涉仪心率测量喇叭点亮LED灯第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1 6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料6.2 6.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.3 6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电式传感器是一种典型的发电传感器，压电式传感器是一种典型的发电传感器，它以某些电介质的它以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在外为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。从而实现非电量电测的目的。 优点：尺寸小，重量轻，工作频率宽，可优点：尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量测量
2、最终能变换为力的那些非电物理量，最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态例如动态力（一般必须高于力（一般必须高于100Hz100Hz） 、动动态压力、振动加速度等，但态压力、振动加速度等，但不能用于静态不能用于静态参数的测量。参数的测量。 （正）压电效应：（正）压电效应：某些电介质，当沿一定方某些电介质，当沿一定方向受到外力作用而变形时，内部产生极化现向受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种态，这种将机械能转换为电场能将机械能转换为电场能
3、的现象称为的现象称为压电效应。当作用力的方向压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的改变时，电荷的极性也随着改变。极性也随着改变。 逆压电效应逆压电效应/ /电致伸缩效应电致伸缩效应: :当在电介质的极当在电介质的极化方向施加电场，电介质在一定方向上产生化方向施加电场，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，外加电场撤机械变形，内部出现机械应力，外加电场撤去后，这些变形和应力也随之消失，这种去后，这些变形和应力也随之消失，这种将将电能转换为机械能电能转换为机械能的现象称为逆压电效应的现象称为逆压电效应/ /电电致伸缩效应。致伸缩效应。石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的
4、方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 将超声波（机械振动波）转换成电信号是将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的利用压电材料的_ _；蜂鸣器中发出；蜂鸣器中发出“嘀嘀嘀嘀”声的压电片发声原理是利用声的压电片发声原理是利用压电材料的压电材料的_ _。 压电材料压电材料/压电元件：压电元件： 具有压电效应的电介质具有压电效应的电介质 常见的压电材料有：常见的压电材料有：石
5、英晶体石英晶体经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷压电陶瓷高分子压电材料高分子压电材料 压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数一、石英晶体：一、石英晶体：天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形石英晶体切片及封装石英晶体切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石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡石英晶体在振荡电路中工作时，压电路中工作时，压电效应与逆压电效电效应与逆压电效应交替作用，从而应交替作用，从而产生稳定的振荡输产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振 6.1石英晶体的压电效应石英晶体的压
6、电效应石英晶体具有如图石英晶体具有如图6.1所示的所示的规则的几规则的几何形状何形状，它是一个，它是一个六棱柱六棱柱，两端是，两端是六棱六棱锥锥。石英晶体是。石英晶体是各向异性体各向异性体，即在各个，即在各个方向晶体性质是不同的。方向晶体性质是不同的。图图6.1 石英晶体石英晶体ZXYZXYlZXlwY(a) 天然晶体(b) 晶体切片 在结晶学中，将石英晶体的在结晶学中，将石英晶体的结构结构用用三根互相垂直的轴三根互相垂直的轴来来表示，其中纵向轴表示，其中纵向轴Z称为称为光轴光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的的X轴称为轴称为电轴电轴，与，与X轴和轴和Z轴同时垂直的轴
7、同时垂直的Y轴（垂直于棱面）轴（垂直于棱面）称为称为机械轴机械轴。ZXYZXYlZXlwY(a ) 天然晶体(b ) 晶体切片FxFy11xxqd F1211yyyaaqdFdFbb 纵向压电效应纵向压电效应 横向压电效应横向压电效应 沿沿z z轴方向受力不产生压电效应轴方向受力不产生压电效应 居里点居里点573573六角晶系结构六角晶系结构石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理 石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图中构决定的。图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+， “”代表氧离子代表氧离子O O2-2-（1 1
8、）当石英晶体未受外力作用时，正、负离子）当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩1 1、2 2、3 3。= = qLqL（q q为电荷量，为电荷量，L L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 1 1+ +2 2+ +3 30 0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。（2 2）当晶体受到沿）当晶体受到沿x x方向的压力（方向的压力（x x 0 0
9、0在在y y、z z方向上的分量为方向上的分量为: : (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 0（3 3）当晶体受到沿）当晶体受到沿x x方向的拉力（方向的拉力（x x 0 0）作用）作用时，时，1 1增大，增大， 2 2、 3 3减小，此时它们在减小，此时它们在x x、y y、z z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (1 +2 +3) x0 (1+ 2+ 3)y =0 (1 +2 +3)z =0在在x x轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在y y、z z方向依然不出方向依然不出现电荷。现电荷。 当晶体受到沿当晶体受到沿x x( (电轴电轴) )方向的力方向的力x x作用时
10、，在作用时，在x x方向方向产生正压电效应，而产生正压电效应，而y y、z z方向不产生压电效应。方向不产生压电效应。 晶体受到晶体受到y y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力y y作用时，在作用时，在x x方方向产生正压电效应，在向产生正压电效应，在y y、z z方向同样不产生压电效方向同样不产生压电效应。应。n晶体受到晶体受到z z轴方向受力轴方向受力z z的作用的作用时，因为晶体沿时，因为晶体沿x x方向和沿方向和沿y y方向所方向所产生的正应变完全相同，所以，正、产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，这就表明，负电荷中心保持重合，这就表明，在沿在沿z z( (即光轴
11、即光轴) )方向的力方向的力z z 作用下，作用下，晶体不产生压电效应。晶体不产生压电效应。 图图6.2 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系晶体切片上电荷极性与受力方向的关系(a) X轴方向受压力；（轴方向受压力；（b） X轴方向受拉力；轴方向受拉力；（c） Y轴方向受压力；（轴方向受压力；（d） Y轴方向受拉力轴方向受拉力 XFXY(a)XFXY(b)XY(c)FYXY(d)FY 需要指出的是：上述讨论均假设晶体沿需要指出的是：上述讨论均假设晶体沿X轴和轴和Y轴方向受轴方向受到了到了压力压力。当晶体沿。当晶体沿X轴和轴和Y轴方向受到轴方向受到拉力作用拉力作用时，同样有时，同样有压电效应，只是
12、电荷的压电效应，只是电荷的极性将随之改变极性将随之改变。石英晶片上电荷极。石英晶片上电荷极性与受力方向的关系如下图所示。性与受力方向的关系如下图所示。 （1 1）晶体在某个方向上有正压电效应，则）晶体在某个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。在此方向上一定存在逆压电效应。 （2 2）无论是正压电效应还是逆压电效应，）无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系。其作用力与电荷之间呈线性关系。 （3 3）晶体具有各向异性特点，晶体具有各向异性特点，并不是在任并不是在任何方向都存在压电效应。何方向都存在压电效应。结论：结论： 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数在几
13、百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到温度升高到573573时，石英晶体将完全丧去时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的压电特性，这就是它的居里点居里点。 石英晶体的石英晶体的突出优点：突出优点：性能非常稳定，它性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。求较高的传感器中。（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷u压电陶瓷是
14、人工制造的多晶体压电材料，它具有类似压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。铁磁材料磁畴结构的电畴结构。在无外电场作用时，在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。u它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用低，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压电陶瓷 。 在在压电压电陶瓷上施加外电场时
15、，电畴的极化方向发生转陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。场方向。常用的压电陶瓷材料：常用的压电陶瓷材料： 非铅系列压电陶瓷（如钛酸钡非铅系列压电陶瓷（如钛酸钡BaTiOBaTiO3 3）： 具有很高的介电常数和较大的压电系数具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的（约为石英晶体的5050倍）。但居里点温度倍）。但居里点温度低（低（120120），温度稳定性和机械强度不如），温度稳定性和机械
16、强度不如石英晶体。石英晶体。 锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）：）： 压电系数更大，居里点温度在压电系数更大，居里点温度在300300以上，以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。是目前压电式传感器中应用最广泛的好。是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。压电材料。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。
17、由于束缚电荷的作用，在陶瓷出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图附的自由电荷示意图极化方向极化方向自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，
18、另一端出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图附的自由电荷示意图极化方向极化方向自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加
19、一个与极化方向平行的压力F F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电分自由电荷而出现充电现象。现象。 正压电效应正压电效应。在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负
20、束缚电作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就变为机械能的现象，就是压电陶瓷的是压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应。极化方向极化方向（三）高分子压电材料（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（PVF
21、PVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚）、改性聚氯乙烯（氯乙烯（PVCPVC）等。）等。 优点：是一种柔软的压电材料，可根据需要优点：是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达较宽，测量动态范围可达80dB80dB。 其工作温度一般低于其工作温度一般低于100 100 ，温度升高时，灵敏度将，温度升高时，灵敏度将降
22、低；降低； 它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，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。以免老化。 PVDFPVDF的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物体
23、的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。 其工作温度一般低于其工作温度一般低于100 100 ，温度升高时，灵敏度将，温度升高时，灵敏度将降低；降低； 它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，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。以免老化。 PVDFPVDF的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗与人体组织的
24、声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。 高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及
25、报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） 类类 别别 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石英英晶晶体体 单单晶晶体体、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 压压电电系系数数稳稳定定，固固有有频频率率稳稳定定 承承受受压压力力700-1000Kg/cm2 压压电电陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶体体 钛钛酸酸钡钡、锆锆钛钛酸酸钡钡、铌铌酸酸盐盐系系 压压电电系系数数高高d33=19010-11C/N 品品种种多多、性性能能各各异异 新新型型压压电电材材料料 压压电电半半导导体体 压压电电特特性性
26、 半半导导体体特特性性 集集成成压压电电传传感感器器 有有机机高高分分子子 压压电电材材料料 质质轻轻柔柔软软、抗抗拉拉强强度度高高、 机机电电耦耦合合系系数数高高 在实际应用中，由于单片的输出电荷在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。并联和串联。CCUUqq22；(a)(b)两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上；正电荷集中
27、在两侧的电极上；CCUUqq212；(a )(b ) 动态力传感器中，两片压电片多采用动态力传感器中，两片压电片多采用_接法，可增大输出电荷量；在电子接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用采用_接法，可使输出电压达上万伏，接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。从而产生电火花。等效电路等效电路 压电传感器的压电元件受力时，在晶体的压电传感器的压电元件受力时，在晶体的表面上分别聚集等量的正电荷和负电荷，表面上分别聚集等量的正电荷和负电荷，因此它相当于一个电荷发生器，同时，它因此它相当于一个电荷发生器，同时，它也是一个电容器。
28、也是一个电容器。+ + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - -+ + + +- - - -qCaqCaaSCd 当两极板聚集异性电荷时，两极板之间呈当两极板聚集异性电荷时，两极板之间呈现电压，因此，压电传感器也可以等效为现电压，因此，压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。一个电压源和一个电容器的串联电路。CaUa 压电元件不受外力作用时，电极表面没压电元件不受外力作用时，电极表面没有电荷产生，电荷源开路，电压源短路，此有电荷产生，电荷源开路，电压源短路，此时的压电元件只等效为一个电容器。时的压电元件只等效为一个电容器。 利用压电传
29、感器进行测量时，它要与测量利用压电传感器进行测量时，它要与测量电路相连接，于是要考虑电路相连接，于是要考虑电缆电容电缆电容 、放、放大器的输入电阻大器的输入电阻 、输入电容、输入电容 以及传感以及传感器的漏电阻器的漏电阻 ，实际等效电路为：，实际等效电路为：qCaRaCcRiCiCaUaRaCcRiCiCcRiCiRa压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只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，即有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回需要测量回路具有无限大的输入阻抗路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能，这实际
30、上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，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一定的电流，故只适用于可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于动态测量（一般必须高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以以上时，灵敏度下降）。上时，灵敏度下降）。 因为压电元件实际上等效因为压电元件实际上等效为一个具有电荷的电容，电容为一个具有电荷的电容，电容在电路中会放电，放电时间常在电路中会放电，放电时间常数为数为RC，RC越大，放电时间越大，放电时间越大。为了
31、保持压电元件上的越大。为了保持压电元件上的电荷无泄漏，必须测量回路具电荷无泄漏，必须测量回路具有无限大的输入阻抗有无限大的输入阻抗 测量时要考虑的问题：测量时要考虑的问题： （1 1）输入阻抗要大。几百）输入阻抗要大。几百M M以上，从而减小以上，从而减小测量误差。测量误差。 （2 2）当压电传感器与测量电路相连时，要考）当压电传感器与测量电路相连时，要考虑电缆电容、放大器输入电阻、输入电容、传虑电缆电容、放大器输入电阻、输入电容、传感器的漏电阻等。感器的漏电阻等。 前置放大器的作用：前置放大器的作用： 放大压电传感器的微弱输出信号放大压电传感器的微弱输出信号 把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗
32、输出。把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。前置放大器的形式：前置放大器的形式： 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 icCCCaaiiRRRRRtsinFFmaaaamqd Fd FUsin tCCC1 1电压放大器电压放大器a1()j Rd Fj R CCa111111iaRd Fj CUCRRj Cj Cj CRj C222a1()micid FRURCCCa()2ciarctgR CCC222a()1ciRCCC当时，amicid FUCCC理想211)(11a11()ciR CCC)(iceCCCRa222a()1()iciiciUR CCCUR CCC理想222a1()mi
33、cid FRURCCCa1()2 2ciarctgR CCCarctg211)(1|理想iiUU （1 1）当作用在压电元件上的力是静态力）当作用在压电元件上的力是静态力( ) ( ) 时，时， , ,前置放大器的输入电压等于零，这前置放大器的输入电压等于零，这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。 （2 2）当）当 时，时， 221aciRCCC00iU 13,10iiUU理想一般认为，时，miecid FUCCC理想，与频率无关压电传感器有很好的高频响应，适合测量高频交变力压电传感器有很好的高频响应，适合测量高频交变力 221miacidFRU
34、RCCC （3 3）灵敏度：）灵敏度： ，说，说明不能单靠增大电容的方法增大明不能单靠增大电容的方法增大 ，因为灵敏度会减小，所以采用输入阻抗高的放大因为灵敏度会减小，所以采用输入阻抗高的放大器。在回路时间常数器。在回路时间常数 一定的条件下，一定的条件下，作用力的频率越高，越能满足作用力的频率越高，越能满足 的条件。的条件。 （4 4）压电传感器与前置放大器之间的连接电缆不）压电传感器与前置放大器之间的连接电缆不能随意更换，因为电缆的长度变化将使能随意更换，因为电缆的长度变化将使Cc变化，变化，从而引起从而引起Usrm变化，引起测量误差。变化，引起测量误差。 221srmmaciUdRkFR
35、CCCaciR CCCaciR CCC 221aciRCCC 221miacidFRURCCC1. 惯性环节频率特性（1）传递函数( )1( )( )1crXsG sXsTs1()( )( )1G jPjQjT2211)(TP221)(TTQ式中 222211()111TG jjj TTTarctan2211jTeT22221( )20lg ( )20lg20lg 11( )arctanLATTT 惯性环节的对数频率特性(Bode图)2. 微分环节频率特性 传递函数( )( )( )crXsG ssXs（1）理想微分环节频率特性 幅相频率特性21()jG jje1( )20lg( )20lg2
36、0lg( )90LA 对数频率特性理想微分环节对数频率特性(Bode图)对于惯性和微分环节的频率特性？( )( )( )1crXssG sXsTs 221srmmaciUdRkFRCCC我们来分析下其幅频特性：我们来分析下其幅频特性：频率下限频率下限11LaciaciR CCCR CCC测量回路的时间常数， 传感器的低频响应范围传感器的低频响应范围 如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数
37、。感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。 但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。大，传感器的低频
38、响应也就越好。电压放大器应用限制电压放大器应用限制 压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。电式传感器在某些场合的
39、应用。2.2.电荷放大器电荷放大器0i (1) aciffUAUqACCCA CqqC RfqA 电荷放大器的输出电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比电压与输入电荷成正比;电荷放大器可不考虑电电荷放大器可不考虑电缆长度和低频响应。缆长度和低频响应。 电压放大器的输出电压电压放大器的输出电压与输入电压（传感器的输出与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电压放大器电压）成正比；电压放大器的结构较简单，所需元件少，的结构较简单，所需元件少，价格便宜，可靠性强价格便宜，可靠性强；深度电容负深度电容负反馈的高增反馈的高增益运算放大益运算放大器电路器电路;一般一般A很大很大2.2.电荷放大器电荷放大器Rf
40、qA深度电容负深度电容负反馈的高增反馈的高增益运算放大益运算放大器电路器电路;一般一般A很大很大(1+A)(1+A)FFFFCCGG(1)(1)oaiFaciFj AQUGGA GjCCCA C A足够大，压电元件足够大，压电元件的电容大小和电缆长短的电容大小和电缆长短不影响电荷放大器的输不影响电荷放大器的输出，这是其优点之一。出，这是其优点之一。(1)(1)oaiFaciFj AQUGGA GjCCCA C频率足够高时，频率足够高时，(1)(1)oFFj AQUA GjA CFFGC0(1) FfQUAA CQQC (1)(1)oaiFaciFj AQUGGA GjCCCA C但是当频率很低
41、时，但是当频率很低时，(1)(1)oFFj AQUA GjA C(1)(1)oFFFFj AQUA GjA Cj QGj C我们来分析下其幅频特性：我们来分析下其幅频特性：频率下限频率下限12FLFLFFGCfR C此时，11LaciaciR CCCR CCC测量回路的时间常数， 对比电压放大器：对比电压放大器：频率下限仅与反馈电路频率下限仅与反馈电路参数有关，与连接电缆参数有关，与连接电缆电容、放大器的输入电电容、放大器的输入电容电阻无关。通过选择容电阻无关。通过选择参数，可以使得其低频参数，可以使得其低频截至频率更低。截至频率更低。四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形焊接式焊接式 电荷
42、放大器电荷放大器超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 主要指标主要指标: : 灵灵 敏敏 度：度：1 1、1010、100mV/pC(100mV/pC(任选一档任选一档) ) 频率范围：频率范围：0.30.3100KHz(100KHz(上、下限可选上、下限可选) ) 噪声噪声( (最大灵敏度最大灵敏度) )：输出端小于：输出端小于1mV1mV归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整 线性误差：线性误差：1%1% 最大输出：最大输出：5V5V或或10V10V 电电 源：源：6V6V15V15V 其他电荷放大器外形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其他电荷放大器外形（续）其
43、他电荷放大器外形（续） 一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1.1.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。 粘贴粘贴位置位置 将厚约将厚约0.2mm0.2mm左右的左右的PVDFPVDF薄薄膜膜裁制成裁制成1010 20mm20mm大小。在它的大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡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导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用
44、保护膜根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q Q ，在两个输出引，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。质量块质量块报警器的电路原理框图报警器的电路原理框图 2 2压电式周界报警系统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）（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克可起分布式地下麦克风
45、或听音器的作用，风或听音器的作用，可在几十米范围内探可在几十米范围内探测人的步行测人的步行, , 对轮式对轮式或履带式车辆也可以或履带式车辆也可以通过信号处理系统分通过信号处理系统分辨出来。右图为测量辨出来。右图为测量系统的输出波形。系统的输出波形。3.3.交通监测交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速类信息（包括轴数、轴距、轮距、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）及机场滑行道等通数据信息采集（
46、道路监控）及机场滑行道等。高分子压电电高分子压电电缆的应用演示缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约公路的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。的车型。 二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电式力传感器压电式力传感器压电式力传感器压电式力传感器按其用途和压电元件的组成可分为按其用途和压电元件的组成可分为单向单向力、双向力和三向力传感器力、双向力和三向力传感器
47、。它可以测量几百至几万牛顿的。它可以测量几百至几万牛顿的动态力。动态力。 一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构如图结构如图5.15所示。压电元件采用所示。压电元件采用xy（即（即X0）切型石英晶）切型石英晶体，利用其体，利用其纵向压电效应纵向压电效应，通过，通过d11实现力实现力-电转换。上盖为传电转换。上盖为传力元件，其弹性变形部分的厚度较薄（其厚度由测力大小决力元件，其弹性变形部分的厚度较薄（其厚度由测力大小决定），聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。这种结构的单向定），聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。这种结构的单向力传感器力
48、传感器体积小，重量轻体积小，重量轻（仅（仅10g），），固有频率高固有频率高（约（约5060 kHz），最大可测），最大可测5000N的动态力，分辨率达的动态力，分辨率达10-3N压电式动态力传感器在车床压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量中用于动态切削力的测量 动态力动态力传感器传感器刀架刀架车刀车刀工件工件2022年4月17日星期日图图5.15 单向压电石英力传感器的结构单向压电石英力传感器的结构 利用其纵向压电效应，实利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用现力一电转换。它用两块两块晶片作传感元件晶片作传感元件，被测力，被测力通过传力上盖使石英晶片通过传力上盖使石英晶片沿电轴方
49、向受压力作用，沿电轴方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电晶片在电轴方向上出现电荷，荷，两块晶片沿电轴方向两块晶片沿电轴方向并联叠加并联叠加，负电荷由电极，负电荷由电极输出，压电晶片正电荷一输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。侧与底座连接。两片并联两片并联可提高其灵敏度。可提高其灵敏度。5.4.3 压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器的种类很多，这里着重介绍常用的压电式压力传感器的种类很多，这里着重介绍常用的膜片式压电压膜片式压电压力传感器力传感器。 为了保证传感器具有良好的长时间为了保证传感器具有良好的长时间稳定性和线性度，而且能在较高
50、的环境稳定性和线性度，而且能在较高的环境温度下正常工作，压电元件采用温度下正常工作，压电元件采用两片两片xyxy(X0(X0) )切型的石英晶片切型的石英晶片。这两片晶片。这两片晶片在电气上采取在电气上采取并联连接并联连接。作用到膜片上作用到膜片上的压力通过传力块施加到石英晶片上，的压力通过传力块施加到石英晶片上，使晶片产生使晶片产生厚度厚度变形变形。 为了保证在压力（尤其是高压力）为了保证在压力（尤其是高压力）作用下，石英晶片的变形量（约零点几作用下，石英晶片的变形量（约零点几到几微米）不受损失，传感器的壳体及到几微米）不受损失，传感器的壳体及后座（即芯体）的刚度要大。后座（即芯体）的刚度要
