工学第7章压电式传感器.pptx

第第7 7章章 压电式传感器压电式传感器 7.l 7.l 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 7.1.1 7.1.1 压电效应压电效应 7.1.2 7.1.2 压电效应的物理解释压电效应的物理解释 7.2 7.2 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式 7.3 7.3 压电元件的等效电路及测量电路压电元件的等效电路及测量电路 7.3.1 7.3.1 等效电路等效电路 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路 7.4 7.4 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 7.4.1 7.4.1 工作原理及特性工作原理及特性 7.4.2 7.4.2 压电加速度传感器的典型结构压电加速度传感器的典型结构 7.4.3 7.4.3 压电式加速度传感器的应用压电式加速度传感器的应用 7.5 7.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 7.5.1 7.5.1 压电式压力传感器的原理及结构压电式压力传感器的原理及结构 7.5.2 7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用压电式压力传感器的结构及应用压压电电式式传传感感器器是是利利用用某某些些物物质质的的压压电电效效应应制制作作的传感器。的传感器。压电效应是可逆的，即有两种压电效应：压电效应是可逆的，即有两种压电效应：正正压压电电效效应应:当当沿沿着着一一定定方方向向对对某某些些电电介介质质施施加加力力而而使使其其变变形形时时，在在一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去掉后，又重新回到不带电的状态；去掉后，又重新回到不带电的状态；逆逆压压电电效效应应:当当在在介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场时时，这这些些电电介介质质就就在在一一定定的的方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械应应力力；当当外外加加电电场场撤撤去去后后，这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消失。消失。可可见见压压电电式式传传感感器器是是一一种种典典型型的的“双双向向传传感感器器”。7.17.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理7.1.17.1.1压电效应压电效应一、压电效应一、压电效应 压电效应压电效应:某些电介质某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使当沿着一定方向对其施力而使它变形时它变形时,其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）对位移）,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称这种现象称压电效应。压电效应。正压电效应正压电效应、逆压电效应（电致伸缩效应）、逆压电效应（电致伸缩效应）压电材料能实现机压电材料能实现机电能量的相互转换。电能量的相互转换。1正压电效应正压电效应电介质在沿一定方向上受到外力电介质在沿一定方向上受到外力 产生变形产生变形 外力去掉，回到不带电状态外力去掉，回到不带电状态 内部产生极化现象，表面产生电荷内部产生极化现象，表面产生电荷 压电效应动画演示压电效应动画演示2.逆压电效应逆压电效应极化方向上施加交变电场极化方向上施加交变电场 产生机械变形产生机械变形 去外加电场，变形消失去外加电场，变形消失 逆压电效应动画演示逆压电效应动画演示 二、压电材料二、压电材料 1.1.石英晶体石英晶体石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体，有右旋石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体，有右旋和左旋晶体之分，外形互为镜像对称。和左旋晶体之分，外形互为镜像对称。石英晶体各个方石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。电轴（电轴（X X轴、轴、1 1）：垂直于此轴面上的压电效）：垂直于此轴面上的压电效应最强。应最强。机械轴（机械轴（Y Y轴、轴、2 2）：在电场沿）：在电场沿X X向作用下，向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。沿该轴方向的机械变形最大。光轴（光轴（Z Z轴、轴、3 3）：垂直于）：垂直于XYXY。光线沿该轴通。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象无压电效应现象 。通常把沿电轴通常把沿电轴x x 方向的力作用下产生电荷的方向的力作用下产生电荷的压电效应称为压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”,而把沿而把沿机械轴机械轴y y 方向的作用下产生电荷的压电效方向的作用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴而沿光轴z z 方方向受力时不产生压电效应。向受力时不产生压电效应。从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图所示。从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图所示。当晶片在沿当晶片在沿X轴的方向上受到压缩应力轴的方向上受到压缩应力s sxx的作用时，晶片将产生厚度变形，的作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度Pxx与应力与应力s sxx 成正比，成正比，即即 而极化强度而极化强度P Pxxxx等于晶片表面的电荷密度，等于晶片表面的电荷密度，即即把把P Pxxxx值代入得值代入得由式看出，当晶片受到由式看出，当晶片受到X X向的压力作用时，向的压力作用时，q qxxxx与作用力与作用力F Fx x成正比，而与晶成正比，而与晶片的几何尺寸无关。片的几何尺寸无关。下标下标m m：产生电荷的面的轴向：产生电荷的面的轴向 下标下标n n：施加作用力的轴向：施加作用力的轴向 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示在在X轴轴方方向向施施加加压压力力时时，左左旋旋石石英英晶晶体体的的X轴轴正正向向带带正正电电；如如果果作作用用力力Fx改改为为拉拉力力时时，则则电电荷荷仍仍出出现现在在在在垂垂直直于于X轴轴的的平平面面上上，但但极极性性相相反反，如如图图（a）、（b）。如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着着机机械械轴轴的的方方向向，其其电电荷荷仍仍在与在与 X轴垂直平面上出现，其极性见图轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（）、（d），此时电荷的大小为，此时电荷的大小为根据石英晶体轴的对称条件根据石英晶体轴的对称条件负负号号表表示示沿沿Y轴轴的的压压缩缩力力产产生生的的电电荷荷与与沿沿X轴轴施施加加的的压压缩缩力力所所产产生生的的电电荷荷极极性性相相反反。由由式式可可见见，沿沿机机械械轴轴方方向向对对晶晶片片施加作用力时，产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。施加作用力时，产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。石英晶体外形图石英晶体外形图压电晶体是一种单晶体压电晶体是一种单晶体例如：例如：石英晶体；石英晶体；酒石酸钾钠酒石酸钾钠等等 天然形成的石英晶体外形图天然形成的石英晶体外形图2 2、压电陶瓷压电陶瓷未加电场未加电场 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时,电畴电畴在晶体中杂乱分布在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性为零。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。加电场加电场电畴方向发生转动电畴方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得从而使材料得到极化。外电场愈强到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。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,即所有电畴极化方向即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后外电场去掉后,电畴的极化方向基本电畴的极化方向基本不变不变,这时的材料具有压电特性。这时的材料具有压电特性。压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其电荷量电荷量q与力与力F成正比，比例系数为成正比，比例系数为 d33，亦即，亦即式中式中 d33压电陶瓷的纵向压电系数。压电陶瓷的纵向压电系数。下下标标的的意意义义与与石石英英晶晶体体相相同同，但但在在压压电电陶陶瓷瓷中中，通通常常把把它它的的极极化化方方向向定定为为Z轴轴（下下标标3），这这是是它它的的对对称称轴轴，在在垂垂直直于于Z轴轴的的平平面面上上，任任意意选择的正交轴为选择的正交轴为X轴和轴和Y轴，下标为轴，下标为l和和2，所以下标，所以下标 l和和2是可以互易的。是可以互易的。7.1.27.1.2压电效应的物理解释压电效应的物理解释石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。其化学式为石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。其化学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离子。在一个晶体单元中有三个硅离子 Si4+和六个氧离子和六个氧离子 O2-，后者是成，后者是成对的。所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。对的。所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。电偶极矩：电荷电偶极矩：电荷q与间距与间距l的乘积。的乘积。P=ql 矢量，方向由负电荷指向正电荷。矢量，方向由负电荷指向正电荷。（1）未受外力作用时）未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三形成三个互成个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图如图 a所示。所示。P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，呈中性。正负电荷中心重合，呈中性。（2）受受x轴轴方方向向的的压压力力作作用用时时,晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形,正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。如如图图（b）所所示示,此此时时正正负负电电荷荷重重心心不不再再重重合合,电电偶偶极极矩矩在在x方方向向上上的的分分量量由由于于P1的的减减小小和和P2、P3的的增增加加而而不不等等于于零零,即即（P1+P2+P3）0。在在x轴轴的的正正方方向向出出现现负负电电荷荷,电电偶偶极极矩矩在在y方方向向上上的分量仍为零的分量仍为零,不出现电荷。不出现电荷。P=ql x方向方向l减小减小（3）受到沿）受到沿y轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时,晶体的变形如图（晶体的变形如图（c）所示，）所示，P1增增大大,P2、P3 减小。减小。在垂直于在垂直于x轴正方向出现正电荷轴正方向出现正电荷,在在y轴方向上不出轴方向上不出现电荷。现电荷。P=ql y方向方向l减小减小 （4）如果沿如果沿Z轴方向（即与纸面垂直的方向）上施加作用力，轴方向（即与纸面垂直的方向）上施加作用力，因为晶体在因为晶体在X轴方向和轴方向和Y轴方向的变形完全相同，所以，正负电荷中轴方向的变形完全相同，所以，正负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明沿心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明沿Z轴（即光轴）方轴（即光轴）方向加作用力，晶体向加作用力，晶体不会产生压电效应。如果对石英晶体的各个方向同不会产生压电效应。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的作用力时（如液体的压力，热应力等）时施加相等的作用力时（如液体的压力，热应力等）,石英晶体也就石英晶体也就保持中性不变，所以石英晶体没有由于体积变形的压电效应。保持中性不变，所以石英晶体没有由于体积变形的压电效应。7.27.2压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式1 1、并联方式、并联方式特点：输出电荷大，适合测慢速信号，以电荷为输出的场合。特点：输出电荷大，适合测慢速信号，以电荷为输出的场合。2 2、串联方式、串联方式特点：输出电压大，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合特点：输出电压大，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合7.37.3压电元件的压电元件的等效电路与测量电路等效电路与测量电路7.3.17.3.1等效电路等效电路1、压压电电传传感感器器中中的的压压电电晶晶体体承承受受被被测测机机械械力力的的作作用用时时，在在它它的的两两个个极极板板面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。显显然然可可以以把把压压电电传传感感器看成一个静电发生器，如图所示，器看成一个静电发生器，如图所示，2、显显然然也也可可以以把把它它视视为为一一个个极极板板上上聚聚集集正正电电荷荷，一一个个极极板板上上聚聚集负电荷，中间为绝缘体的电容，其电容量为集负电荷，中间为绝缘体的电容，其电容量为当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为小为 压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。压压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。由等由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无效电路可知，只有传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后的电压或电荷才能长路负载无穷大时，压电传感器受力后的电压或电荷才能长期保存下来，否则电路将以某时间常数按指数规律放电，期保存下来，否则电路将以某时间常数按指数规律放电，这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电晶体不适器的电荷才能得以补充，从这个意义上讲，压电晶体不适合于静态测量。合于静态测量。压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度压灵敏度Ku，后者称为电荷灵敏度，后者称为电荷灵敏度Kq，它们之间可，它们之间可以通过压电元件（或传感器）的电容以通过压电元件（或传感器）的电容Ca联系起联系起来，来，即即7.3.27.3.2测量电路测量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。直接显示和记录。测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：作用：一是放大传感器输出的微弱信号一是放大传感器输出的微弱信号 二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗根据压电元件的工作原理，前置放大器有两种形式：一种是电根据压电元件的工作原理，前置放大器有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正压放大器，其输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比，另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。比，另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。1.电压放大器电压放大器 电压放大器的等效电路如图所示，其中等效电阻电压放大器的等效电路如图所示，其中等效电阻R为为 等效电容等效电容 C分别为分别为 如果压电元件受到交变力的作用，如果压电元件受到交变力的作用，f 为为 式中式中 Fm作用力的幅值。作用力的幅值。若压电元件所用压电材料为压电陶瓷，其压电系数为若压电元件所用压电材料为压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外，则在外力作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即力作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即 或或 式中式中 Um电压幅值，电压幅值，若将放大器输入端的电压若将放大器输入端的电压ui写成复数形式，则可得写成复数形式，则可得 的幅值的幅值 为为 由上式可得输入电压与作用力之间的相位由上式可得输入电压与作用力之间的相位f f为为 令令 为测量回路时间常数，令为测量回路时间常数，令 ，则式，则式 若作用在压电元件上的力为静态力，即若作用在压电元件上的力为静态力，即w w0，则前置放大器的输，则前置放大器的输出出Uim为零。因为电荷就会通过电荷放大器的输入电阻和传感器本身为零。因为电荷就会通过电荷放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。这也就是从原理上决定了压电式传感器不能测量静的泄漏电阻漏掉。这也就是从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。态物理量。当当w w时（高频），则放大器输入端的电压幅值为时（高频），则放大器输入端的电压幅值为 在实际应用中认为在实际应用中认为 w w/w w 0 1（即（即w w1），也就是作用力），也就是作用力的变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于的变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输时，前置放大器的输入电压入电压Uim与频率无关。一般认为与频率无关。一般认为w w/w w 03，可以近似地看作输入电压，可以近似地看作输入电压与作用力频率无关。这说明在测量回路时间常数一定的条件下，压电与作用力频率无关。这说明在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器的高频率响应是很好的，这是压电传感器的优点之一。式传感器的高频率响应是很好的，这是压电传感器的优点之一。2.电荷放大器电荷放大器 为了便于分析，用图（为了便于分析，用图（b）的电压源代（）的电压源代（a）的电荷源，由此可得）的电荷源，由此可得（用节点电压法）（用节点电压法）而而 ，代入可得，代入可得 理想条件下，工作频率足够高，各导纳大于各电导时，即理想条件下，工作频率足够高，各导纳大于各电导时，即gi 0、gc0、gf0，且放大器的增益且放大器的增益A足够大时，足够大时，（1+A）Cf （Ca+Ci+Cc），上上式式表表明明，输输出出电电压压Usc正正比比于于输输入入电电荷荷q，它它的的比比例例系系数数为为1/Cf，与工作频率无关。这就是电荷放大器的理想情况。，与工作频率无关。这就是电荷放大器的理想情况。压压电电元元件件本本身身的的电电容容大大小小和和电电缆缆长长短短不不影影响响或或极极少少影影响响电电荷荷放放大大器器的的输输出出，这这是是电电荷荷放放大大器器的的优优点点。输输出出电电压压只只取取决决于于输输入入电电荷荷 q以以及及反反馈馈电电路路的的参参数数Cf及及Rf。一一般般反反馈馈电电容容Cf可可选选择择的的范范围围为为100104pF。当当工工作作频频率率很很低低时时,gf与与jw wCf值值相相当当，gf（1+A）不不能能忽忽略略；A仍仍足足够够大，则式变为大，则式变为 其幅值为其幅值为 该式说明，工作频率很低时，输出电压该式说明，工作频率很低时，输出电压Uscm不仅与表面电荷不仅与表面电荷q有关，而有关，而且与参数且与参数Cf、gf和和w w 有关，但与开环增益有关，但与开环增益A无关。信号频率越小，无关。信号频率越小，Cf项越重项越重要，当要，当 这是截止频率点的输出电压，增益下降这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应的下限截止频率为时对应的下限截止频率为 由上式可见，低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数由上式可见，低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数Rf和和Cf，反馈电阻，反馈电阻Rf还有直流反馈功能。因为在电荷放大器中采用电容负反馈，还有直流反馈功能。因为在电荷放大器中采用电容负反馈，对直流工作点相当于开路，故零漂较大而产生误差。为了减小零漂，使放大对直流工作点相当于开路，故零漂较大而产生误差。为了减小零漂，使放大器工作稳定，应并联电阻器工作稳定，应并联电阻Rf。7.4 7.4 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 7.4.1 7.4.1 工作原理及特性工作原理及特性 1.工作原理工作原理 测测量量时时，将将传传感感器器基基座座与与试试件件刚刚性性固固定定在在一一起起，使使传传感感器器的的质质量量块块与与试试件件有有相相同同的的运运动动并并受受到到与与加加速速度度方方向向相相同同的的惯惯性性力力的的作作用用。这这样样，质质量量块块就就有有一一个个正正比比于于加加速速度度的的交交变变力力作作用用在在压压电电元元件件上上。压压电电元元件件两两个个表表面面上上产产生生交交变变电电荷荷（或或电电压压）。当当试试件件的的振振动动频频率率远远低低于于传传感感器器的的固固有有频频率率时时，传传感感器器输输出出电电荷荷（或或电电压压）正正比比于于作作用用力力。即即q=dijF，由于，由于 2、灵敏系数、灵敏系数 由于传感器输出电荷量与试件的加速度成正比，所以压电式加速由于传感器输出电荷量与试件的加速度成正比，所以压电式加速度传感器的电荷灵敏系数度传感器的电荷灵敏系数KQ与电压灵敏系数与电压灵敏系数KU分别为分别为 传感器的电荷灵系数和电压灵敏系数可以分别用目前惯用的单位传感器的电荷灵系数和电压灵敏系数可以分别用目前惯用的单位pC/g和和mV/g表示表示 3 3、频率响应、频率响应、频率响应、频率响应 如图所示的压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量如图所示的压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量m、集、集中弹簧刚度中弹簧刚度k、和集中阻尼、和集中阻尼c的一个单自由度二阶力学系统。其数学模的一个单自由度二阶力学系统。其数学模型为型为 式中式中m 压电元件质量；压电元件质量；c 等效阻尼系数；等效阻尼系数；k 等效刚度系数；等效刚度系数；x 质量块相对于基座位移的振幅；质量块相对于基座位移的振幅；a 惯性力引起的加速度振幅（即振动体加速度的振惯性力引起的加速度振幅（即振动体加速度的振幅）。负号表示惯性力与加速度方向相反。幅）。负号表示惯性力与加速度方向相反。二阶质量弹簧系统的幅频特性和相频特性表达式二阶质量弹簧系统的幅频特性和相频特性表达式:振动加速度引起质量块位移的幅值为振动加速度引起质量块位移的幅值为 质量块的位移滞后于加速度的相位角为质量块的位移滞后于加速度的相位角为 由于相对位移由于相对位移x就是压电元件的变形量，在弹性范围内，如果作就是压电元件的变形量，在弹性范围内，如果作用在压电元件上的惯性力为用在压电元件上的惯性力为F，压电元件本身的刚度系数为，压电元件本身的刚度系数为KY，则有，则有F=KYx。因此而产生力。因此而产生力电转换，压电元件表面产生的电荷电转换，压电元件表面产生的电荷 于是有于是有 式子表示式子表示KQ与与w w/w w0（频率比）的关系称为加速度传感器的频率响（频率比）的关系称为加速度传感器的频率响应特性的数学表达式。应特性的数学表达式。其频率响应特性曲线如图所示其频率响应特性曲线如图所示 当当/0相当小时，式可写成如下形式相当小时，式可写成如下形式 可见，当传感器的固有频率远大于振动体的工作频率时，传感器的电荷灵敏系数近似为一常数，基本不随工作频率变化，此为传感器的理想工作频率。由于压电式传感器具有很高的固有频率，只要放大器高频截止频率远大于传感器的固有频率，其高频上限由传感器的固有频率决定。所以压电式传感器的高频响应特性特别好，频响范围宽。其低频响应取决于输出回路的时间常数（见电压放大器），时间常数越大，低频响应性能越好。尤其是配用电荷放大器，时间常数t 长达105s，可用来测准静态力学量。7.4.2 7.4.2 压电加速度传感器的典型结构压电加速度传感器的典型结构 7.4.3 7.4.3 压电式加速度传感器的应用压电式加速度传感器的应用 压压电电式式加加速速度度传传感感器器具具有有结结构构简简单单、体体积积小小、质质量量轻轻、测测量量的的频频率率范范围围宽宽、动动态态范范围围大大、性性能能稳稳定定、输输出出线线性性好好等优点。它是测量振动和冲击的一种理想传感器。等优点。它是测量振动和冲击的一种理想传感器。1用于小试件测试用于小试件测试 例如，在测量飞机构件（特别是薄板型小构件）的振例如，在测量飞机构件（特别是薄板型小构件）的振动时，为了不使构件的振动失真，传感器的质量应尽可能动时，为了不使构件的振动失真，传感器的质量应尽可能地轻。早期采用的电动式加速度传感器，因其自身较重，地轻。早期采用的电动式加速度传感器，因其自身较重，给测量带来较大的误差。现在则采用压电式加速度传感器，给测量带来较大的误差。现在则采用压电式加速度传感器，能较为准确地测量出构件的振动。能较为准确地测量出构件的振动。2中高温环境下的振动测试中高温环境下的振动测试 随随着着耐耐高高温温的的压压电电材材料料的的研研制制成成功功，现现在在已已研研制制出出在在400，甚甚至至高高达达700的的中中高高温温环环境境下下应应用用的的压压电电式式传传感感器器。如如航航空空发发动动机机最最大大的的振振动动一一般般发发生生在在涡涡轮轮轴轴附附近近，这这里里的的温温度度高高达达650以以上上，且且留留给给传传感感器器安安装装的的空空间间又又很很小小。采采用用压压电电式式加加速速度度传传感感器器测测量量，它它不不仅仅耐耐高高温温、而而且且体体积积小小，能能安安装装在在涡涡轮轮发发动动机机轴轴承承机机匣匣上上，能能相相当当准准确确的的测测量量出出发发动动机机的的最最大大振振动动。现现在在许许多多机机种种的的发发动动机机振振动动检检测测系系统统中中都都采采用了压电式加速度传感器。用了压电式加速度传感器。3冲击和振动测试冲击和振动测试 冲冲击击和和振振动动是是自自然然界界和和生生产产过过程程中中普普遍遍存存在在的的现现象象，几几乎乎每每一一种种机机械械设设备备和和建建筑筑都都存存在在振振动动问问题题。由由于于振振动动现现象象和和形形成成机机理理复复杂杂，所所以以在在观观察察、分分析析、研研究究机机械械动动力力系系统统产产生生振振动动的的原原因因及及规规律律时时，除除理理论论分分析析外外，直直接接测测量量始始终终是是一一个个重重要要的的必必不不可可少少的的手手段段。例例如如，机机床床工工作作时时产产生生振振动动，不不仅仅会会影影响响机机床床的的动动态态精精度度和和被被加加工工零零件件的的质质量量，而而且且还还要要降降低低生生产产效效率率和和刀刀具具的的耐耐用用度度，振振动动剧剧烈烈时时还还会会降降低低机机床床的的使使用用性性能能。通通过过动动态态实实验验，采采用用压压电电式式加加速速度度传传感感器器进进行行检检测测，模模态态分分析析，可可充充分分了了解解各各种种机机床床的的动动态态特特性性，找找出出机机床床产产生生受受迫迫振振动动，爬爬行行以以及及自自激激振振动动（颤颤振振）的的原原因因，从从中中寻寻找找出出防防止止和和消消除除机机床床振振动动的的方方法法和和提提高高机机床床抗抗振振性性能能的的途途径径。还还有有如如车车辆辆道道路路模模拟拟实实验验，火火车车环环境境振振动动测测量量分分析析，人人体体的的动动态态特特性性研研究究等等很很多多方方面面，压压电电式式加加速速度度传传感感器器都都有有着着广广泛泛的的应用。应用。7.5 7.5 压电式压力传感器压电式压力传感器7.5.1 7.5.1 压电式压力传感器的原理压电式压力传感器的原理1、工作原理、工作原理 当压力当压力p作用在膜片上时，将在压电元件上下表面上产生电荷，电荷作用在膜片上时，将在压电元件上下表面上产生电荷，电荷量与作用力成正比量与作用力成正比q=Fdij。由上式可知，输出由上式可知，输出 电荷量与输入压力成正比电荷量与输入压力成正比 关系，一般压电式压力传关系，一般压电式压力传 感器的线性较好感器的线性较好 2、灵敏系数、灵敏系数 压电式压力传感器的灵敏系数是指其输出电荷量（电荷或电压）压电式压力传感器的灵敏系数是指其输出电荷量（电荷或电压）与输入量（压力）的比值，也可以分别用电荷灵敏系数和电压灵敏系与输入量（压力）的比值，也可以分别用电荷灵敏系数和电压灵敏系数来表示。数来表示。电荷灵敏系数电荷灵敏系数 电压灵敏系数电压灵敏系数 由式由式 知，电荷灵敏系数也可表示为知，电荷灵敏系数也可表示为 由于由于Ua=q/Ca，所以电压灵敏系数也可下式表示，所以电压灵敏系数也可下式表示 由以上分析可知，为了提高压电式压力传感器的灵敏度，应选由以上分析可知，为了提高压电式压力传感器的灵敏度，应选用压电系数大的压电材料做压电元件。此外也可以加大压电元件的用压电系数大的压电材料做压电元件。此外也可以加大压电元件的受力面积，增加电荷量的办法来提高灵敏度。但是，增大受力面积受力面积，增加电荷量的办法来提高灵敏度。但是，增大受力面积不利于传感器的小型化。因此，一般采用多片压电元件叠加在一起，不利于传感器的小型化。因此，一般采用多片压电元件叠加在一起，按电容的串联和并联连接方式来提高传感器的灵敏度。按电容的串联和并联连接方式来提高传感器的灵敏度。7.5.2 7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用压电式压力传感器的结构及应用 压电式压力传感器可测工作频率压电式压力传感器可测工作频率10105Hz的动态压力，幅值的动态压力，幅值可达可达104109Pa。1、压电式压力传感器的结构、压电式压力传感器的结构 常用的压电式压力传感器是膜片型结构，膜片可采用图所示结构。常用的压电式压力传感器是膜片型结构，膜片可采用图所示结构。常用材料有石英晶体和压电陶瓷，尤其石英晶体稳定性好。常用材料有石英晶体和压电陶瓷，尤其石英晶体稳定性好。膜片型的压电式压力传感器结构紧凑，轻便全密封，端（膜片及传膜片型的压电式压力传感器结构紧凑，轻便全密封，端（膜片及传力块）动态质量小，具有较高的谐振频率。力块）动态质量小，具有较高的谐振频率。这种结构的压力传感器，具有较高的灵敏度和分辨率，利于小型化。这种结构的压力传感器，具有较高的灵敏度和分辨率，利于小型化。缺点是压电晶片的预压紧力是通过外壳与芯体间螺纹连接拧紧芯体施加缺点是压电晶片的预压紧力是通过外壳与芯体间螺纹连接拧紧芯体施加的，将使膜片产生弯曲，造成线性与动态特性变差；还直接影响各组件的，将使膜片产生弯曲，造成线性与动态特性变差；还直接影响各组件间接触刚度，改变传感器固有频率。温度变化时，膜片变形量变化，压间接触刚度，改变传感器固有频率。温度变化时，膜片变形量变化，压紧力也变化。紧力也变化。为为消消除除预预加加载载时时引引起起膜膜片片变变形形，采采用用了了预预紧紧筒筒加加载载结结构构，预预紧紧筒筒是是一一个个薄薄壁壁厚厚底底的的金金属属圆圆筒筒，通通过过拉拉紧紧预预紧紧筒筒对对石石英英晶晶片片组组施施加加预预压压紧紧力力，并并在在加加载载状状态态下下用用电电子子束束将将预预紧紧筒筒与与芯芯体体焊焊成成一一体体。膜膜片片是是后后焊焊接接到到壳壳体上去的。体上去的。2、压电式压力传感器的应用、压电式压力传感器的应用 压压电电式式压压力力传传感感器器的的动动态态测测量量范范围围很很宽宽，频频响响特特性性好好，能能测测量量准准静静态态的的压压力力和和高高频频变变化化的的动动态态压压力力。除除此此之之外外，还还具具有有结结构构坚坚实实、强强度度高高、体体积积小小、质质量量轻轻、耐耐高高温温、使使用用寿寿命命长长等等优优点点。因因此此广广泛泛应应用用于于内内燃燃机机的的气气缸缸、油油管管、进进排排气气管管的的压压力力测测量量。在在航航空空上上的的应应用用更更有有它它特特殊殊的的作作用用，例例如如在在高高超超音音速速脉脉冲冲风风洞洞中中，用用它它来来测测量量风风洞洞的的冲冲激激波波压压力力；在在飞飞机上，用它来测量发动机燃烧室的压力。机上，用它来测量发动机燃烧室的压力。压压电电式式压压力力传传感感器器在在军军事事工工业业上上的的应应用用范范围围也也很很广广。例例如如，用用它它来来测测量量枪枪（炮炮）弹弹在在膛膛中中击击发发一一瞬瞬间间的的膛膛压压变变化化，以以及及炮炮口口的的冲冲击击波波压压力力等等。目目前前普普遍遍采采用用的的美美国国陆陆军军测测试试标标准中的火炮膛压测量，使用的就是压电式压力传感器。准中的火炮膛压测量，使用的就是压电式压力传感器。压电式力传感器压电式力传感器压电式力传感器压电式力传感器测力动画演示测力动画演示压电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器作业：1 什么是压电效应 2 画出压电传感器的等效电路 3 石英晶体 X、Y、Z 轴的名称及特点是什么。