1、第八章第八章 压电式传感器压电式传感器压电效应压电效应压电材料压电材料压电传感器的等效电路与测量线路压电传感器的等效电路与测量线路压电式传感器：压电式传感器：加速度传感器加速度传感器力传感器力传感器压力传感器压力传感器压电式传感器的误差分析压电式传感器的误差分析研究内容：研究内容：11/19/202218.1 压电效应压电效应顺压电效应：顺压电效应：某些电介质，在受到某些电介质，在受到一定方向一定方向的外力作的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转当去掉外力后，又重新回到不带电
2、状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应压电效应。逆压电效应：逆压电效应：当在电介质当在电介质极化方向极化方向施加电场时，电介施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应逆压电效应”,”,又称为电致又称为电致伸缩效应伸缩效应-驱动器。驱动器。F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性11/19/2022
3、2压电传感器的特点压电传感器的特点 1 1）磁电式速度传感器响应频率范围窄；）磁电式速度传感器响应频率范围窄；2 2）磁电式机械运动部件容易损坏；）磁电式机械运动部件容易损坏；3 3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。与磁电式传感器的比较与磁电式传感器的比较：力力敏感传感器，可测力、压力、加速度等敏感传感器，可测力、压力、加速度等双向双向有源有源传感器传感器体积小、重量轻体积小、重量轻结构简单、工作可靠结构简单、工作可靠频带宽频带宽11/19/20223 各种小巧的压力传感器各种小巧的压力传感器 压电传感器的外形压电传感器的外形 压力变送器部件压
4、力变送器部件 压力变送器压力变送器 11/19/20224一、一、石英晶体（石英晶体（SiO2)的压电效应的压电效应特点：特点：石英晶体是各向异性晶体石英晶体是各向异性晶体晶体分右（左）旋晶体分右（左）旋外形规则外形规则xyz11/19/20225石英晶体的三个晶轴石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。电轴（电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。上压电效应最强。机械轴（机械轴（Y轴）：
5、垂直于轴）：垂直于XZ面，在电场作用下，面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。该轴方向的机械变形最明显。11/19/20226石英晶体压电效应机理石英晶体压电效应机理电偶极矩电偶极矩P=qL,q为电荷量为电荷量,L为正负电荷之间距离。为正负电荷之间距离。2O2-Si4+L11/19/20227+-XYP1P2P30321ppp当石英晶体未受外力作用时当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六正、负离子正好分布在正六边形的顶角上边形的顶角上,形成三个互成形成三个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3。此时正负电荷重心重合。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于电
6、偶极矩的矢量和等于零零,即即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。即呈中性。11/19/20228受到受到X方向的力方向的力纵向压电效应纵向压电效应+-XYP1P2P30)(321xppp0)(321yppp0)(321zppp晶体沿晶体沿x方向将产生压缩变形方向将产生压缩变形,正负离子的相对正负离子的相对位置也随之变动。位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在电偶极矩在x方向上的分量由于方向上的分量由于P3的减小和的减小和P1、P2的增加而不等于零的增加而不等于零,在在x轴的正方向出现正电荷轴的正方向出现正电荷,电
7、偶极矩在电偶极矩在y方向上的分量仍为零方向上的分量仍为零,不出现电荷。不出现电荷。当作用力方向相反时当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。11/19/20229受到受到Y方向的力方向的力横向压电效应横向压电效应0)(321xppp0)(321yppp0)(321zppp+-XYP1P2P3当晶体受到沿当晶体受到沿y轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时,P3增大增大,P1、P2 减小。减小。在垂直在垂直x轴表面上出现电荷轴表面上出现电荷,它的极性为：它的极性为：x轴正向为负。轴正向为负。在在y轴方向上不出现电荷。轴方向上不出现电荷。当作用力方向相反时当作用力方向相反时,
8、电荷的极性也随之电荷的极性也随之改变。改变。11/19/202210受到受到Z方向的力方向的力没有压电效应产生没有压电效应产生+-XYP1P2P3如果沿如果沿z轴方向施加作用力轴方向施加作用力,因为晶体在因为晶体在x方向和方向和y方向所产生的形变完方向所产生的形变完全相同全相同,所以正负电荷重心保持重合所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明电偶极矩矢量和等于零。这表明沿沿z轴方向施加作用力轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。11/19/202211受到三向等压力受到三向等压力没有压电效应产生没有压电效应产生+-XYP1P2P3如果沿如果沿x、y、z轴方
9、向施加相同的作用力轴方向施加相同的作用力,只有体积变化，没有形变，只有体积变化，没有形变，正负电荷重心保持重合正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零，电偶极矩矢量和等于零，晶体不会产生压电效晶体不会产生压电效应，即没有体积变形的压电效应。应，即没有体积变形的压电效应。11/19/202212二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的压电陶瓷是人工制造的多晶体多晶体压电材料。如压电材料。如BaTiOBaTiO3 3、PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3 。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一它有一定的极化方向定的
10、极化方向,从而存在电场。从而存在电场。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电畴在晶体中杂乱分布,它们它们的极化效应被相互抵消的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。不具有压电性质。11/19/202213压电陶瓷极化处理压电陶瓷极化处理在陶瓷上施加外电场时在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方趋向于按外电场方向的排列向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全就有更多的电畴更完全地转向外电
11、场方向。地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去外电场去掉后掉后,电畴的极化方向变化电畴的极化方向变化不大不大,即剩余极化强度很大即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。这时的材料才具有压电特性。极化方向即外加电场方向，取为极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。轴方向。E11/19/202214压电效应演示压电效应演示11/19/202215三、压电常数和表面电荷计算三、压电常数和表面电荷计算1、压电效应的表达式：、压电效应的表
12、达式：jijijdj:j:j j方向的应力方向的应力d dij ij:j:j方向的力使得方向的力使得i i面产生电荷的压电常数面产生电荷的压电常数 ij ij:j:j方向的力在方向的力在i i面产生的电荷密度面产生的电荷密度iijijAq电荷量：电荷量：面积11/19/202216x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在表示晶体的极化方向，即在i i面上产生电面上产生电荷。荷。1 1、2 2、3 3分别表示垂直于分别表示垂直于x x、y y、z z轴的晶片表面轴的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1j(j=1,2,3,4,5,6):1，2
13、2，3 3表示沿表示沿x,y,zx,y,z方向作用的单方向作用的单向正应力；向正应力；4 4，5 5，6 6表示在表示在yz,zx,xyyz,zx,xy平面上承受的剪平面上承受的剪切应力切应力X0X0切型石英晶体切片的力切型石英晶体切片的力 电分布电分布xz z 3(1)2 1 4 6 5(3)(2)(1)(1)(3)(3)(2)(2)i j=d i j j i=1、2、3 j=1、2、3、4、5、6y y11/19/202217压电特性的矩阵表示压电特性的矩阵表示654321363534333231262524232221161514131211321dddddddddddddddddd矩阵
14、的重要性11/19/202218关于压电特性矩阵的说明：关于压电特性矩阵的说明：表示压电元件的能量转换方式表示压电元件的能量转换方式dij的大小表示压电效应的强弱的大小表示压电效应的强弱若矩阵中某一若矩阵中某一dij=0,则表示在则表示在j方向上的方向上的应力在应力在i方向上没有压电效应方向上没有压电效应是选择转换元件、确定压电效应产生方是选择转换元件、确定压电效应产生方向、转换效率的重要依据向、转换效率的重要依据设计思考：测量什么？如何测量？设计思考：测量什么？如何测量？11/19/202219压电效应能量转换的几种基本形式压电效应能量转换的几种基本形式厚度拉（压）型厚度拉（压）型长度拉（压
15、）型长度拉（压）型11/19/202220厚度切变型厚度切变型厚度切变型厚度切变型三力相等：三力相等：压电陶瓷受压电陶瓷受压变体积型压变体积型11/19/202221正压电效应与剪切压电效应比较正压电效应与剪切压电效应比较11/19/2022222、石英晶体的压电常数和表面电荷计算、石英晶体的压电常数和表面电荷计算在在x面上产生电荷：面上产生电荷：在在 1作用下，产生作用下，产生厚度变形厚度变形（纵向压电（纵向压电效应）效应）11111dlwq111111111FdqlwF1111/19/202223在在 2作用下，产生长度变形（横向压电效应）作用下，产生长度变形（横向压电效应）21212dl
16、wdlwq21212121112ddtwFlwq221212,21221212FtldlwtwFdq由石英晶体的对称性：由石英晶体的对称性：11/19/202224在在 3作用下，没有压电效应作用下，没有压电效应031313d013d即：21112Ftldq实验研究，在剪切应力实验研究，在剪切应力 4、5、6作用下：作用下：41414d11/19/202225051515d061616d015d即：016d即：在在x面上产生电荷：面上产生电荷：4142111111412111ddd11/19/202226实验研究，在实验研究，在y面上产生电荷面上产生电荷61151462652522dddd其它
17、方向的压电系数为：其它方向的压电系数为：0232221ddd正应力：024d剪切应力：在在Z面上产生电荷面上产生电荷030363534333231dddddd11/19/20222765432126251412113210000000000000ddddd石英晶体的压电方程石英晶体的压电方程11/19/202228654321111414111132100000020000000dddddNcdNcd/1073.0/1031.212141211独立压电常数：11/19/202229石英晶体的基本变形形式石英晶体的基本变形形式厚度厚度受力变形受力变形（d11)长度长度受力变形受力变形（d12)x
18、yz11+-zxy22+-1112dd11/19/202230面面剪切变形剪切变形(d14)xyz+-4面面剪切变形剪切变形(d25)yxz+-51425dd11/19/202231厚度厚度剪切变形剪切变形(d26)yxz6+-11262dd11/19/2022323、压电陶瓷的压电常数和表面、压电陶瓷的压电常数和表面电荷计算电荷计算zxy123z:极化方向；x、y可以互换。11/19/2022331）在）在1、2、3作用下，作用下，z面产生电荷面产生电荷(d310,d320,d330）xyz123可以互换方向：可以互换方向：x(或或1)和和y（或（或2）；）；推论：推论：x、y方向的剪应力可
19、以互换，即数字方向的剪应力可以互换，即数字4、5。11/19/2022342）在）在4作用下，在作用下，在y面产生电面产生电荷荷(d240）厚度切变型厚度切变型yz411/19/2022353）在）在T5作用下，在作用下，在x面产生电面产生电荷荷(d150）厚度切变厚度切变xz511/19/202236压电压电陶瓷压电方程陶瓷压电方程65432133323124153210000000000000ddddd11/19/202237654321333333151532100041.041.00000000000ddddd)/(10250)/(107841.0)/(1019012241512333
20、2311233NcddNcdddNcd独立压电常数：11/19/202238压电压电陶瓷变形形式：陶瓷变形形式：厚度变形：厚度变形：d33长度变形：长度变形：d31、d32厚度剪切变形：厚度剪切变形：d24、d15体积变形：体积变形：d31、d32、d3311/19/202239练习练习例1、已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当晶已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当晶体受到机械应力作用时，有哪几种变形方式具有力体受到机械应力作用时，有哪几种变形方式具有力电能量转换的作用（即具有压电效应电能量转换的作用（即具有压电效应）？d11d120d1400dij=0000d25d26000000000
21、41.041.000000000003333331515ddddd压电陶瓷11/19/2022408.2 压电材料压电材料压电晶体压电晶体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：明显呈现压电效应的敏感功压电材料：明显呈现压电效应的敏感功能材料。能材料。性能要求性能要求：大压电系数、刚度、电阻率和介：大压电系数、刚度、电阻率和介电系数、机械强度高、居里点高等。电系数、机械强度高、居里点高等。常用压电材料：常用压电材料：11/19/202241一、压电晶体一、压电晶体1、石英晶体的几何切型：、石英晶体的几何切型：在晶体坐标在晶体坐标中取某一方位的切割中取某一方位的切割.切族分类X切族
22、:原始位置：厚度方向平行于x轴，长度方向平行于y轴，宽度方向平行于z轴。Y切族:原始位置：厚度方向平行于y轴，长度方向平行于x轴，宽度方向平行于z轴。石英石英、酒石酸钾钠、电气石、鳞酸铵、硫酸锂等、酒石酸钾钠、电气石、鳞酸铵、硫酸锂等.11/19/202242X切族X切族的切族的IRE表示方法：表示方法：xyY切族的切族的IRE表示方法：表示方法：yx11/19/202243几何切型的表示方法：几何切型的表示方法：/)(ltwxy切型代号：切型代号：表示原始方位表示原始方位晶片旋转角：晶片旋转角：从从x或或y的正的正端看，逆时端看，逆时针为针为+，顺时，顺时针为针为-旋转轴旋转轴例如：（例如：
23、（xytl)+50/(-500)11/19/202244石英晶体的基本切型石英晶体的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx习惯表示习惯表示11/19/202245例例1：（：（yxl)+35015(AT切型）切型）xyzyz35015xyzyz3501511/19/202246例例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：切型）：zyxxyz50zyx500绕厚度轴转绕长度轴转11/19/2022472、石英晶体的主要性能、石英晶体的主要性能不需要人工极化不需要人工极化没有热释电效应没有热释电效应介电常数、压电常数的温度稳定性好介电常数、压电常数的温度稳定性好居里点温度高：居里
24、点温度高：5730 C居里点：压电材料开始丧失压电性居里点：压电材料开始丧失压电性能的温度能的温度性能稳定、机械强度高性能稳定、机械强度高11/19/202248二、压电陶瓷二、压电陶瓷钛酸钡钛酸钡（BaTiO3）：1）最早使用；最早使用；2）由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结）由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成；而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N，是，是石英的几十倍；石英的几十倍；4）工作温度最高只有）工作温度最高只有80,温度稳定性和机械温度稳定性和机械强度都不如石英强度都不如石英。铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3)单晶：单晶：1）多畴
25、结构，需要极化处理；）多畴结构，需要极化处理；2）压电常数达）压电常数达80PC/N;3)工作温度工作温度760。11/19/202249压电陶瓷压电陶瓷锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZT）：）：(有有4、5、8等多种系等多种系列）列）1）目前普遍使用；目前普遍使用；2）是钛酸钡（）是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅和锆酸铅（PbZrO3）组成；组成；3）d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作温度）工作温度250。性能远优于钛酸钡。性能远优于钛酸钡。11/19/202250三、聚偏二氟乙烯（三、聚偏二氟乙烯（PVF2)有机高分子半晶态聚合物，定向拉伸后，由有机高分子半晶态聚合物，定向
26、拉伸后，由 晶型转化为晶型转化为 晶型，此时晶型，此时有压电效应；有压电效应；压电常数在拉伸长度方向最大，压电常数在拉伸长度方向最大，d31=20PC/N,垂直于长度方向的压电常数垂直于长度方向的压电常数 d32 0.2 d31;频响范围宽，频响范围宽，10-5Hz500MHz;柔软，加工性能好；柔软，加工性能好；声阻抗与水、人体肌肉接近；声阻抗与水、人体肌肉接近；热稳定性好。热稳定性好。11/19/202251常用压电材料的性能参数比较常用压电材料的性能参数比较如果环境温度高，宜选择何种材料？如果环境温度高，宜选择何种材料？如果温度环境好，灵敏度要求较高呢？如果温度环境好，灵敏度要求较高呢？
27、11/19/202252 8.3 等效电路和测量电路等效电路和测量电路晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极极板间物质等效于一种介质板间物质等效于一种介质,则其电容量为：则其电容量为：dACra0力电荷电容器电荷发生器 A压电片的面积压电片的面积;d压电片的厚度压电片的厚度;r压电材料的相对介电常数压电材料的相对介电常数。11/19/202253电荷电荷等效电路等效电路aaUCq 电压等效电路电压等效电路aaCqU11/19/202254考虑实际使用的等效电路考虑实际使用的等效电路实际使用时与测实际使用时与测量仪器或测量电路相连接量仪器
28、或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电因此还须考虑连接电缆的等效电容容Cc,压电传感器的泄漏电阻压电传感器的泄漏电阻Ra，和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻Ri、输入电容输入电容Ci。Ci11/19/202255压电传感器的特点以及对信号压电传感器的特点以及对信号处理电路的要求：处理电路的要求：特点：特点：有源传感器有源传感器高阻抗传感器高阻抗传感器小功率小功率要求：要求：阻抗变换阻抗变换信号放大信号放大11/19/202256 测量电路测量电路压电传感器的内阻抗很高压电传感器的内阻抗很高,而输出能量较小而输出能量较小 高输入阻抗的前置放大器高输入阻抗的前置放大器1）把高输出阻抗变换
29、为低输出阻抗）把高输出阻抗变换为低输出阻抗;2）放大传感器输出的微弱信号。）放大传感器输出的微弱信号。输出形式：电压信号、电荷信号输出形式：电压信号、电荷信号作用作用要求要求11/19/202257前前置放大器两种形式置放大器两种形式:电压放大器和电荷电压放大器和电荷放大器。放大器。一、电压放大器一、电压放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin11/19/202258iaRRR/icicCCCCC/KUaCaRCtFfmsin设力：aaaCfdCqU33以压电陶瓷为压电材料以压电陶瓷为压电材料(纵向压电效应）：纵向压电效应）：厚度方向FCdtFCdUamaa3333sin11
30、/19/202259FdCCRjRjUain33)(1)()(1)(aaainCCRjRCjUU：前置放大器输入电压为前置放大器输入电压幅值为：mainmFdCCRRU332)(111/19/202260)(2RCaCarctg输入电压与作用力之间的相位差为：输入电压与作用力之间的相位差为：理想情况下（输入电阻理想情况下（输入电阻Ri 、且无漏电：、且无漏电：Ra）R=Ri|Ra=,放大器输入电压幅值为放大器输入电压幅值为：CCFdam332)(1)(CCRCCRUUaaaminm频率特性maamFdCCRRU332)(111/19/202261)icaaCCCRCCR（2)(1aminmUU
31、)(2arctg令：令：00901.0UinmUam0.51234从幅度从幅度-频率曲线能频率曲线能得到什么结论？得到什么结论？11/19/202262讨论：讨论：=0时（静态）时（静态），Uinm/Uam=0（输入电压（输入电压为零）为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量。泄漏，所以不能测量静态量。3（动态），（动态），Uinm/Uam1，接近理想特，接近理想特性。性。一定频率范围，输入电压与作用力频率无关。一定频率范围，输入电压与作用力频率无关。一定，一定，越高，响应越好。越高，响应越好。对低频：对低频：一定，一定，误
32、差误差加大。加大。要求要求要大，扩大低频响应范围。要大，扩大低频响应范围。输出电压灵敏度受到电缆分布电容影响。输出电压灵敏度受到电缆分布电容影响。11/19/202263改善低频特性的措施改善低频特性的措施：RCCCCRaa、)()(2233)()(1CCRdFUkainm灵敏度：1 RicaaCCCdCCdk3333低频特性低频特性和灵敏度和灵敏度要求矛盾要求矛盾11/19/202264kCCCica)()(iaRRR、采取措施：提高绝缘电阻，根据给定精度合理选采取措施：提高绝缘电阻，根据给定精度合理选择电压放大器的输入电阻择电压放大器的输入电阻Ri。讨论：讨论：电路简单、可靠、元件少、价格
33、低电路简单、可靠、元件少、价格低;电缆长度有限（电缆长度有限（1.2m),不能更换。不能更换。电压放大器电路特点：电压放大器电路特点：不能靠增加电容不能靠增加电容改善低频特性。改善低频特性。11/19/202265二、电荷放大器二、电荷放大器具有深度电容负反馈的高增益运算放大器具有深度电容负反馈的高增益运算放大器fCscCqUUfKUscCfqa11/19/202266ficaCkCCCC)1(ficasrscCkCCCqkkUU)1(RfkUscCfCiCcCaq当开环增益、输入电阻和反馈电阻相当当开环增益、输入电阻和反馈电阻相当大，大，Cf折算到输入端后的输入电容为折算到输入端后的输入电容
34、为：开环增益11/19/202267icafCCCCk)1(若：ffscCqCkqkU)1(Conclusions:输出与电缆电容无关输出与电缆电容无关电缆可长达电缆可长达1km；可更换。；可更换。Rf提供直流负反馈提供直流负反馈减小零漂、提高稳定度。减小零漂、提高稳定度。可测准静态量：可测准静态量：=RfCf大，可测很低频率的信号。大，可测很低频率的信号。11/19/202268例题：已知电荷放大器的反馈电容例题：已知电荷放大器的反馈电容Cf50pf，输入电容输入电容Ci0，反馈电阻，反馈电阻Rf1M，电缆电，电缆电容容Cc300pf，压电片的，压电片的Ca100pf,Ra ,放大器的开环增
35、益放大器的开环增益K104，求将放大器理想，求将放大器理想化后引起的误差？化后引起的误差？ficascCkCCCqkU)1(fscCqU%08.01fcascscscCKCCUUU解：理想情况下，实际误差：11/19/202269基座基座压缩型压电加速度传感器压缩型压电加速度传感器 8.4 压电式传感器压电式传感器8.4.1 压电加速度传感器压电加速度传感器壳体弹簧质量块压电片压电片11/19/202270一一、工作原理、工作原理压电式加速度传感器属于压电式加速度传感器属于惯性式惯性式传感器。传感器。测量时传感器基座与试件刚性连测量时传感器基座与试件刚性连接在一起。接在一起。它是利用石英晶体等
36、的压电效应它是利用石英晶体等的压电效应，当传感器受振时，质量块受到与，当传感器受振时，质量块受到与加速度方向相反的力的作用，并作加速度方向相反的力的作用，并作用在压电元件上。用在压电元件上。当被测振动频率远低于加速度计当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时的固有频率时，则力的变化与被测，则力的变化与被测加速度成正比。传感器输出电荷也加速度成正比。传感器输出电荷也与加速度成正比。与加速度成正比。11/19/20227111/19/202272 质量块的绝对位移质量块的绝对位移x x2 2，激励激励为为x1 ，质量块相对位移质量块相对位移xt 二、频响特性二、频响特性受力分析受力分析200221
37、2)(DDDDxxt20022121)(DDDDxxt200221)(DDDaxt11/19/202273传递函数传递函数2002021)(DDDaxtxt-质量块相对于传感器壳体的位移质量块相对于传感器壳体的位移a0 -被测物体的振动加速度被测物体的振动加速度 -振动体振动角频率振动体振动角频率0-传感器固有角频率传感器固有角频率 -阻尼比阻尼比11/19/202274j)(2)(1)1(02020频响特性：频响特性：20020)(2)(1)(jjjaxt202202002/1)1(axt在压电元件的线弹性工作范围内，有：在压电元件的线弹性工作范围内，有：tyxkF 作用在压电元件上的力作用
38、在压电元件上的力相对位移11/19/2022752022020330)(2)(1/dkaqyFdq33tyxkdq33tyxkF 作用在厚度拉压型压电陶瓷上的力作用在厚度拉压型压电陶瓷上的力202202002/1)1(axtytkdqx33/11/19/2022762022020330)(2)(1/dkaqy当当/0相当小时，有：相当小时，有：mdmKdKdKaqyyy33332033011/19/202277频率比频率比/0相对灵敏度相对灵敏度00.11.04.01.00.12.0幅频响应曲线幅频响应曲线(归一化曲线）归一化曲线）10520.7070.50.211/19/202278仿真结果
39、：仿真结果：11/19/202279讨论：讨论：当当0时，传感器的灵敏度近似为一常数时，传感器的灵敏度近似为一常数由于压电式传感器的变形很小（刚度由于压电式传感器的变形很小（刚度 k 很大），很大），所以压电式加速度传感器的所以压电式加速度传感器的0很大很大（频带较宽）（频带较宽）（一般可达几十千赫），所以频响范围宽、高（一般可达几十千赫），所以频响范围宽、高频响应好。频响应好。测量上限不能取固有频率，实际工作频段取为测量上限不能取固有频率，实际工作频段取为（1/5）0左右。左右。低频响应取决于测量回路低频响应取决于测量回路，测量回路的时间常，测量回路的时间常数越大，低频响应越好。数越大，低频
40、响应越好。11/19/202280压电元件的压电元件的组合方式组合方式11/19/202281串联串联;电荷相等电荷相等电压相加电压相加电容减小电容减小并联：并联：电压相等电压相等电荷相加电荷相加电容相加电容相加niCCinUUiQQ/inCCinQQiUU11/19/202282三、压电加速度传感器常用结构三、压电加速度传感器常用结构1、压缩型、压缩型质量块外壳压电元件基座11/19/202283特点：特点：基于厚度变形基于厚度变形,结构简单；结构简单；固有频率较高；固有频率较高；灵敏度高（灵敏度高（d11、d33大）大）；对环境影响（基座变形、应变、温度变化、对环境影响（基座变形、应变、温
41、度变化、噪声）比较敏感。噪声）比较敏感。11/19/202284压电传感器测量振动的动画演示压电传感器测量振动的动画演示11/19/2022852、剪切型、剪切型环型剪切（压电元件为柱装圆环）环型剪切（压电元件为柱装圆环）外壳外壳质量块质量块压电陶瓷元件压电陶瓷元件中心柱中心柱基座基座胶接胶接11/19/202286xyz44Z极化方向极化方向xy5542424d51515dNpCdd/2502415压电陶瓷压电陶瓷11/19/202287三角剪切型三角剪切型预紧环压电元件质量块三角中心柱特点：不用胶接，温度范围宽，线性度高。特点：不用胶接，温度范围宽，线性度高。11/19/202288H剪切
42、型剪切型1）结构简单，中心左右对称结构简单，中心左右对称；2）压电元件采用多片叠合，提高输出电荷、电容；压电元件采用多片叠合，提高输出电荷、电容；3）可以抑制应变、热感应误差，低频好，可以抑制应变、热感应误差，低频好，0.1Hz.特点：特点：压电元件质量块紧固螺栓螺帽11/19/202289剪切型总的特点：剪切型总的特点：受环境影响小受环境影响小横向灵敏度小横向灵敏度小尺寸小、重量轻尺寸小、重量轻灵敏度高灵敏度高频响高频响高11/19/202290(a)中心安装压缩型中心安装压缩型 (b)环形剪切型环形剪切型 (c)三角剪切型三角剪切型压缩型：压电元件压缩型：压电元件质量块质量块弹簧系统装在圆
43、形中心支柱上，结构弹簧系统装在圆形中心支柱上，结构共振频率高。基座共振频率高。基座B B与测试对象连接时，如果基座与测试对象连接时，如果基座B B有变形则将直接影有变形则将直接影响输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧响输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，力发生变化，易引起温度漂移。易引起温度漂移。环形剪切型：结构简单，小型化、高共振频率，环形质量块粘贴到环形剪切型：结构简单，小型化、高共振频率，环形质量块粘贴到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高
44、工作温度受到限制。，因此最高工作温度受到限制。三角剪切形：压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速三角剪切形：压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。结构对底座变形和温度度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。结结构构比比较较11/19/202291产品外形。产品外形。压电式加速度传感器与前置放大器集压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起。成在一起。11/19/2022923、三向加速度传感器、三向加速度传感器第一组：
45、压缩型第一组：压缩型第二组：剪切型第二组：剪切型第三组：剪切型第三组：剪切型预紧筒压电元件方法：利用三组石英压电元件方法：利用三组石英压电元件,共用质量块共用质量块11/19/202293思考思考1：如何实现三个压电片值只对一个方向如何实现三个压电片值只对一个方向敏感？敏感？思考思考2：分析：分析d25的影响。的影响。(面内剪切）面内剪切）FXFZFYyx切型切型xy切型切型yx切型切型d26d26d11答：依靠惯性质量块和合理的压电切型。答：依靠惯性质量块和合理的压电切型。11/19/20229411/19/202295用于振动用于振动分析分析 振动分析部分工具振动分析部分工具：加速度计、力
46、传感器加速度计、力传感器 11/19/202296HP振动分析系统组成振动分析系统组成11/19/2022978.4.2 压电式力和压力传感器压电式力和压力传感器一、力传感器一、力传感器1、单向力传感器、单向力传感器用途举例：机床动用途举例：机床动态切削力测量等。态切削力测量等。压电常数：压电常数：d11。石英晶体F特点：体积小，重量轻（特点：体积小，重量轻（10g），固有），固有频率高（频率高（50KHz），分辨力高：），分辨力高：103N。11/19/2022982、双向力传感器、双向力传感器zyxT6T6测量FZ的石英测量FX的石英下面的石英：d11,xy切型；上面的石英：d26,yx切
47、型；11/19/202299双向力传感器俯视图双向力传感器俯视图11/19/20221003、三向力传感器、三向力传感器FXFZFY11/19/2022101三向力传感器外形和内部结构加载位置11/19/2022102“y”测量电路改为“3”11/19/2022103二、压力传感器二、压力传感器膜片式压电压力传感器膜片式压电压力传感器PSdq112后座垫圈外壳石英晶片导电片传力块膜片石英晶片P11/19/2022104预紧筒加载压力传感器预紧筒加载压力传感器芯体绝缘套外壳晶片组电极预紧筒膜片预紧方法：拧紧芯体。问题：问题：膜片产生弯膜片产生弯曲变形。曲变形。解决方法：解决方法：采用预紧筒；先采
48、用预紧筒；先预紧，后焊接膜预紧，后焊接膜片。片。11/19/2022105F1：石英晶片上受到的力：石英晶片上受到的力F2：预紧筒圆周受到的力：预紧筒圆周受到的力晶片组加载板壳体FFF1F221FFF11/19/2022106xkkF)(21k1：石英晶片组的刚度：石英晶片组的刚度k2：预紧筒的刚度：预紧筒的刚度12211111kkkkkFFxkF11xkF22设计要求：k2k1。优点：1）线性度好；2）利用水冷方式提高工作温度。11/19/202210711/19/2022108三、压力传感器的加速度补偿三、压力传感器的加速度补偿补偿方法补偿方法1：减小惯性质量：减小惯性质量补偿方法补偿方法
49、2：加补偿石英片：加补偿石英片补偿晶片附加质量块测压晶片组原因：原因：由于加速度的作用，压电元件上受到与由于加速度的作用，压电元件上受到与总质量成正比的惯性力的作用而产生电荷输出，总质量成正比的惯性力的作用而产生电荷输出，与压力信号混叠，造成测量误差。与压力信号混叠，造成测量误差。11/19/2022109补偿方法补偿方法3：双膜片预加载（作用力相反）：双膜片预加载（作用力相反）加速度补偿加速度补偿上膜片预加载上膜片预加载F1 下膜片预加载下膜片预加载F2上膜片的挠度变化上膜片的挠度变化为为；下膜片的挠度变化下膜片的挠度变化为为；设设振动位移为振动位移为，方向朝上。，方向朝上。石英晶体的厚度没
50、有变化。石英晶体的厚度没有变化。11/19/2022110石英晶体的上表面作用力为：石英晶体的上表面作用力为：11KF石英晶体的上表面作用力为：石英晶体的上表面作用力为：22KF 综合效果：不产生电荷。综合效果：不产生电荷。对灵敏度的影响：对灵敏度的影响：由于两个膜片对外由于两个膜片对外力力P相当于并联，相当于并联，所以每个膜片实际所以每个膜片实际受力为受力为P/2，所以，所以灵敏度下降为原来灵敏度下降为原来的的1/2。11/19/2022111例2：已知一压电式加速度传感器的电压放大器的已知一压电式加速度传感器的电压放大器的总电容总电容C=1000pf，总电阻总电阻R=500M，传感器的固，
