1、123 。4压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电警号压电警号压电加速度计56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，电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。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。7压电元件压电元件机械能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应89超声波传感器超声波传感器10ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX石英晶
2、体的理想外形是石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵直的轴来表示，其中纵向轴向轴ZZ称为称为光轴光轴；经；经过正六面体棱线，并垂过正六面体棱线，并垂直于光轴的直于光轴的XX轴称为轴称为电轴电轴；与；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴轴（垂直于正六面体的棱（垂直于正六面体的棱面）称为面）称为机械轴机械轴。11(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组
3、成石英晶体的硅离子组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子和氧离子O2-在在Z平面投影，平面投影，如图如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。12晶体沿晶体沿X X方向将产生方向将产生收缩，电偶极矩在收缩，电偶极矩在X X方向的分量为方向的分量为(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即即在在X X轴的正向出现轴的正向出现正电荷，在正电荷，在Y Y、Z Z轴方轴方向则不出现电荷向则不出现电荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y
4、+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0 正、负 离 子正、负 离 子（即（即Si4+和和2O2-）正）正好分布在正六边形好分布在正六边形顶角上，形成三个顶角上，形成三个互成互成120 夹角的偶夹角的偶极矩极矩P1、P2、P3，电电偶极矩的矢量和偶极矩的矢量和等于零，即等于零，即 P1P2P30（P1+P2+P3）X1，那么，输入电压幅值Uim为 icamimCCCdFU上式表明理想情况时前置放大器输入电压上式表明理想情况时前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在与频率无关，一般在/03时，就可以认为时，就可以认为Uim与与无关无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即 RCC
5、Cica)(110这表明在测量回路的时间常数一定的情况下这表明在测量回路的时间常数一定的情况下，压电传感器有很压电传感器有很好的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关好的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关。37 当作用于压电元件的力为静态力（当作用于压电元件的力为静态力（=0）时，）时，前置放大器的前置放大器的输出电压等于零，输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，身漏电阻漏掉，所以所以压电传感器不能用于静态力的测量压电传感器不能用于静态力的测量。01222)()(icamimCCCRRdFU38当被测动态量
6、变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得因为R1，故上式可以近似为可见，可见，Ku与回路电容成反比与回路电容成反比，增加回路电容必然使，增加回路电容必然使Ku下降。为此常下降。为此常将将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度
7、时大器的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。39因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。40电荷放大器由一个反馈电容C f和高增益运算放大器构成。2.电荷放大器电荷放大器若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没放大器输入端几乎没有分流有分流，运算电流仅流入反馈电容CF。由图可知i的表达式为：iAUU0FiFiiiCjAUCjAUUZUUi)()(1110U0(a)电荷放大器电路电荷放大器电路qCaUiCcCi41根据该式画出等效电路图(b)反馈电容反馈电容CF等效到A0的输入端时，电容C
8、F将增大(1A0)倍。所以图中C=(1 A0)CF；这就是所谓“密勒效应”的结果。FiFiiiCjAUCjAUUZUUi)()(1110(a)电荷放大器电路电荷放大器电路qCaUiCcCiU0(b)电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路qCaUiCcCi C U042运放输入电压运放输入电压ficaiCCCCqU运算放大器输出端电压为：运算放大器输出端电压为：ficaiCACCCqAAUU)(10(b)电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路qCaUiCcCi C U0通常A=104108,（A+1)Cf(Ca+Cc+Ci)，则上式可近似为：，则上式可近似为：ffCqCAqAU-)(1043说明电荷
9、放大器输出电压只与电荷说明电荷放大器输出电压只与电荷q、反馈电容、反馈电容Cf有关，与放大倍数及电有关，与放大倍数及电缆电容无关缆电容无关,当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出，这是电荷放大器的最大特点。这是电荷放大器的最大特点。反馈电容反馈电容Cf为常数时，输出电压与电荷为常数时，输出电压与电荷q成正比。成正比。反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈电容反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈电容Cf值。值。CF一般取值100-104pF。ffCqCAqAU-)(1044七、压电式传感器的应用七、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（
10、一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（四）集成压电式传感器（五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用（五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用（六）超声应用（六）超声应用45 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力到与加速度方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动
11、方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一）压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构：纵向效应型、横向效应型和结构：纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种，纵向效应是最常剪切效应型三种，纵向效应是最常见的。压电陶瓷见的。压电陶瓷4和质量块和质量块2为环型，为环型，通过螺母通过螺母3对质量块预先加载，使对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座感器基座5与被测对象牢牢地紧固与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极在一起。输出信号由电极1引出。引出。qd33Fd33ma46连接方式：图连接方式：图(a)为并联
12、形式，片上的为并联形式，片上的负极负极集中在中间极集中在中间极上，其输出电容上，其输出电容C为单片电容为单片电容C的两倍，但输出电压的两倍，但输出电压U等于单片电压等于单片电压U，极板上电荷量，极板上电荷量q为单片电荷量为单片电荷量q的两倍，的两倍，即即图图(b)为串联形式，为串联形式，正电荷正电荷集中在上极板，集中在上极板，负电荷负电荷集中在集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单等于单CCUUqq22；片电荷片电荷q，而输出电压，而输出电压U为单
13、为单片电压片电压U的二倍，总电容的二倍，总电容C为为单片电容单片电容C的一半，即的一半，即CCUUqq212；+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+l并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。且适用于以电荷作为输出量的场合。l串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。号，且测量电路输入阻抗很高的场合。47（二）（二）压电式压力传感器压电式压力传感器 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不
14、同根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。的结构形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理简图。它由引线压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体、壳体2、基座基座3、压电晶片、压电晶片4、受压膜片、受压膜片5及导电片及导电片6组成。当膜片组成。当膜片5受到压力受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷压电片上所产生的电荷q为为 SPdFdq1111F作用于压电片上的力；作用于压电片上的力；d11压电系数；压电系数；P压强，压强，；S膜片的有效面积。膜片的有效面积。SFP 123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图48 测压传感器的输入量为压力测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSdku因为因为 ，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度
