压电传感器修改.pptx

第第6章章压电式式传感器感器传感器与检测技术传感器与检测技术本章内容本章内容压电式式传感器感器测量量电路路压电式式传感器的工作原理感器的工作原理6.16.16.26.2压电式式传感器感器应用用6.36.32传感器与检测技术传感器与检测技术6.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理电势型传感器电势型传感器 以压电效应为基础以压电效应为基础压电效应可逆压电效应可逆 “双向传感器双向传感器”正压电效应正压电效应 某某些些物物质质在在沿沿一一定定方方向向受受到到压压力力或或拉拉力力作作用用而而发发生生改改变变时时，其其表表面面上上会会产产生生电电荷荷；若若将将外外力力去去掉掉时时，它它们们又又重重新新回回到到不不带带电电的的状状态态，这这种种现现象象就就称为正压电效应。称为正压电效应。(加力加力 变形变形 产生电荷产生电荷)3传感器与检测技术传感器与检测技术逆压电效应逆压电效应 在在压压电电材材料料的的两两个个电电极极面面上上，如如果果加加以以交交流流电电压压，那那么么压压电电片片能能产产生生机机械械振振动动，即即压压电电片片在在电电极极方方向向上上有有伸伸缩缩的的现现象象，压压电电材材料料的的这这种种现现象象称称为为“电电致致伸伸缩缩效效应应”，也也叫叫做做“逆逆压压电电效效应应”。(施施加电场加电场 电介质产生变形电介质产生变形 应力应力)常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。4传感器与检测技术传感器与检测技术2024/9/18周三周三5 5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。5传感器与检测技术传感器与检测技术6.1.1石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X X轴：电轴或或1 1轴；Y Y轴：机械：机械轴或或2 2轴；Z Z轴：光：光轴或或3 3轴。6Z Z轴为光轴轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z Z轴通过轴通过晶体不产生双折射现象，因而以它作为基准轴；晶体不产生双折射现象，因而以它作为基准轴；X X轴为电轴轴为电轴，该轴压电效应最为显著，它通过六棱柱相对的两，该轴压电效应最为显著，它通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴个棱线且垂直于光轴Z Z，显然，显然X X轴共有三个；轴共有三个；Y Y轴为机械轴轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。表面，在此轴上加力产生的变形最大。传感器与检测技术传感器与检测技术石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应图6.1.3 石英晶体的石英晶体的压电机机构构示意示意图P P1 1P P2 2P P3 30 0（P1P2P3）X0 0 （P P1 1P P2 2P P3 3）Y Y0 0 （P P1 1P P2 2P P3 3）Z Z0 0（P1P2P3）X0（P P1 1P P2 2P P3 3）Y Y0 0 （P P1 1P P2 2P P3 3）Z Z0 07传感器与检测技术传感器与检测技术晶体切片晶体切片当沿电轴方向加作用力当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷上产生电荷d d1111压电系系数数（C/NC/N）（6.1.4）8（6.1.3）其极间电压为其极间电压为电极面间电容电极面间电容晶体在晶体在X X轴方向将产生伸缩轴方向将产生伸缩（6.1.5）Ex Ex X X轴方向的电场强度轴方向的电场强度传感器与检测技术传感器与检测技术切片上电荷的符号与受力方向的关系切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a a）是在）是在X X轴方向受方向受压力，力，图（b b）是在）是在X X轴方向受拉力，方向受拉力，图（c c）是在）是在Y Y轴方向受方向受压力，力，图（d d）是在）是在Y Y轴方向受拉力。方向受拉力。9传感器与检测技术传感器与检测技术图6.1.5(c)、(d)，此，此时电荷的大小荷的大小为 根据石英晶体根据石英晶体轴对称条称条件：件：由上述可知：由上述可知：无无论是正或逆是正或逆压电效效应，其作用力，其作用力(或或应变)与与电荷荷(或或电场强度强度)之之间呈呈线性性关关系；系；晶体在晶体在哪个哪个方向上有正方向上有正压电效效应，则在此方向上在此方向上 定存在逆定存在逆压电效效应；石英晶体不是在任何方向都存在石英晶体不是在任何方向都存在压电效效应的。的。10则其其电极极间电压为根据逆根据逆压电效效应，晶片在，晶片在Y Y轴方向方向将将产生伸生伸缩变形形传感器与检测技术传感器与检测技术石英晶体石英晶体一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫莫氏氏硬硬度度为为7、熔熔点点为为1750、膨膨胀胀系系数数仅仅为为钢钢的的1/30。优点：优点：转转换换效效率率和和转转换换精精度度高高、线线性性范范围围宽宽、重重复复性性好好、固固有有频频率率高高、动动态态特特性性好好、工工作作温温度度高高达达550（压压电电系系数数不不随随温温度度而而改改变变）、工工作作湿湿度度高达高达100%、稳定性好。、稳定性好。11传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波12CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009压电方程及压电常数矩阵压电方程及压电常数矩阵石英晶体的压电方程石英晶体的压电方程传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波13CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009式中式中传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波14CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009压电常数矩阵压电常数矩阵ddij全压电效应：全压电效应：传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波15CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009X0X0切型石英晶体的压电常数矩阵切型石英晶体的压电常数矩阵传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波16CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009dt石英晶体的逆压电方程石英晶体的逆压电方程逆压电效应：逆压电效应：逆压电方程的压电常数矩阵是正压逆压电方程的压电常数矩阵是正压电方程压电常数矩阵的转置矩阵。电方程压电常数矩阵的转置矩阵。传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波17CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009综上所述，可得综上所述，可得(1)压电晶体的正压电效应和逆压电效压电晶体的正压电效应和逆压电效应是相应存在的，哪个方向上存在正应是相应存在的，哪个方向上存在正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，且力压电效应，且力-电间呈线性关系电间呈线性关系(2)石英晶体不是在任何方向上都存在石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应压电效应 -压电常数矩阵压电常数矩阵X方向：只有方向：只有d11的纵向压电效应的纵向压电效应(图图a)，d12的横向压电效应的横向压电效应(图图b)b)和和d14的剪的剪切压电效应切压电效应(图图c)c)；Y方向：只有方向：只有d25和和d26的剪切压电效的剪切压电效应应(图图c c和和d)d)；Z方向：无任何压电效应方向：无任何压电效应传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波18CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009二、压电陶瓷二、压电陶瓷经经极化处理极化处理后的人工后的人工多晶铁电体多晶铁电体极化处理极化处理极化处理极化处理在一定温度下施加强直流电场，迫使在一定温度下施加强直流电场，迫使“电畴电畴”去向外电场方向作规则排列；去向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强得剩余极化，从而呈不变，形成很强得剩余极化，从而呈现出压电性。现出压电性。特点：压电常数大，灵敏度高；特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，性能可控；制造工艺成熟，性能可控；成型工艺性好，成本低廉。成型工艺性好，成本低廉。传感器与检测技术传感器与检测技术陶瓷片极化陶瓷片极化压电陶瓷片陶瓷片内内束束缚电荷荷与与电极极上吸附的自由上吸附的自由电荷示意荷示意图 自由自由电荷荷与与陶瓷片陶瓷片内内的束的束缚电荷符荷符号号相反而相反而数数值相等，相等，它它起着起着屏屏蔽和抵消陶瓷片蔽和抵消陶瓷片内极内极化强度化强度对外的作用，外的作用，因此陶瓷片因此陶瓷片对外不表外不表现极极性。性。19传感器与检测技术传感器与检测技术压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应压压电电陶陶瓷瓷片片上上加加上上一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的外外力力，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩变变形形，原原来来吸吸附附在在极极板板上上的的自自由由电电荷荷，一部分被释放而出现一部分被释放而出现放电现象放电现象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因因此此电电极极上上又又吸吸附部分自由电荷而出现附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。放放电电荷的多少荷的多少与与外力的大小成比例外力的大小成比例关关系系 Q 电荷量；荷量；d33 压电陶瓷的陶瓷的压电系系数数；F 作用力。作用力。20传感器与检测技术传感器与检测技术若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图6.1.96.1.9所示，内于电场的方间与极化强度的方向相同，所以电场所示，内于电场的方间与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。的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，就是陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变(图中虚线图中虚线)如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷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。片沿极化方向产生缩短形变。由于电效应而转变为机械由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能效应或者由电能转变为机械能的现象，就是的现象，就是逆压电效应逆压电效应。2121传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波22CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,20095.2.2压电陶瓷的压电方程压电陶瓷的压电方程压电常数矩阵：压电常数矩阵：其中其中极化方向定义为极化方向定义为z z轴，垂直于轴，垂直于z z轴的平面内则各轴的平面内则各向同性。与向同性。与z z轴正交的任何方向都可取作轴正交的任何方向都可取作x x轴和轴和y y轴，且压电特性相同。轴，且压电特性相同。钛酸钡钛酸钡传感器与检测技术传感器与检测技术传感感器原器原理理与与应用，用，赵梦梦恋恋/吴吴晓波波23CopyrightZhejiang CopyrightZhejiang Univeristy,2009Univeristy,2009体积压缩压电常体积压缩压电常数数(1)x和和y方向只有方向只有d15和和d24的厚度剪切压的厚度剪切压电方向电方向(图图c)；(2)z方向存在方向存在d33的纵向压电效应的纵向压电效应(图图a)，d31和和d32的横向压电效应的横向压电效应(图图b)b)；(3)z方向还可得三向应力方向还可得三向应力T1、T2、T3同时同时作用下，产生体积变形压电效应作用下，产生体积变形压电效应(图图d)d)；当外加三向应力相等时，由压电方程当外加三向应力相等时，由压电方程式得式得传感器与检测技术传感器与检测技术以钛酸钡为例，在以钛酸钡为例，在y轴受到轴受到1N/m2的切应力。试的切应力。试求出在各方向产生的电荷密度。求出在各方向产生的电荷密度。24传感器与检测技术传感器与检测技术（1）钛酸钡（）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度等外界条件的变化压电系数较高，各项机电参数随温度等外界条件的变化小，温度稳定性好，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素小，温度稳定性好，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素（如钨、铌等），可以获得不同性能的（如钨、铌等），可以获得不同性能的PZT材料。材料。（3）铌镁酸铅）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。作，可作为高温下的力传感器。压电陶瓷陶瓷种种类25传感器与检测技术传感器与检测技术6.2压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.2.1等效电路等效电路6.2.2测量电路测量电路26传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.1等效电路等效电路图6.2.1 6.2.1 压电传感器的等效原理感器的等效原理 27传感器与检测技术传感器与检测技术压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 (a)(a)等效成一个电压源等效成一个电压源U aU a=q/=q/C Ca a 和一个电容和一个电容C Ca a的串联电路的串联电路(b)(b)等效为一个电荷源等效为一个电荷源q q与一个电容与一个电容C Ca a并联的电路并联的电路 2828传感器与检测技术传感器与检测技术图图6.2.36.2.3压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 如果用导线将压电传感器和测量仪器如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。输入电容。压电传感器的绝缘电阻压电传感器的绝缘电阻RaRa与前置与前置放大器的输入电阻放大器的输入电阻RiRi相并联。相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频为保证传感器和测试系统有一定的低频(或准静态或准静态)响响应，就要求压电传感器的绝缘电阻保持在应，就要求压电传感器的绝缘电阻保持在才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。以上以上2929传感器与检测技术传感器与检测技术6.2.26.2.2测量电路测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。二是放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器也有两种形式：前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电传感器的输出电压压)成正比；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。另一种是电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。3030传感器与检测技术传感器与检测技术1 1 电压放大器电压放大器C Ca a：传感器的电容：传感器的电容 R Ra a：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 C Cc c：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容R Ri i：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻C Ci i：放大器的输入电容：放大器的输入电容3131等效电阻等效电阻R R为为等效电容为等效电容为传感器与检测技术传感器与检测技术前置放大器输入电压前置放大器输入电压 压电元件的力压电元件的力 F=FF=Fm msintsint 压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d d3333，产生的电荷为，产生的电荷为Q=dQ=d3333FF。输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0=0）时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。3232传感器与检测技术传感器与检测技术输入电压与作用力之间的相位差：输入电压与作用力之间的相位差：令令为测量回路的量回路的时间常常数数令令传感器与检测技术传感器与检测技术如果如果 作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1 1时，前置放大器的时，前置放大器的输入电压输入电压与频率无关。与频率无关。可以近似看做输入电压与作用力频率无关。可以近似看做输入电压与作用力频率无关。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，C CC C将改变将改变,也随之变化也随之变化也变化也变化在设计时，常常把电缆长度定为一常值。因而在使用在设计时，常常把电缆长度定为一常值。因而在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值3434（6.2.9）传感器与检测技术传感器与检测技术（6.2.10）传感器的电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路电容传感器的电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路电容必然使传感器的灵敏度下降。必然使传感器的灵敏度下降。为此常将输入内阻很大的前置放大器接入回路。为此常将输入内阻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。频响应也越好。35传感器与检测技术传感器与检测技术36例例1 1已知已知电压前置放大器前置放大器输入入电阻及阻及总电容分容分别为R Ri i1M1M，C Ci i100pF100pF，求，求与与压电加速度加速度计相配相配测量量1Hz1Hz的振的振动时幅幅值误差差为多大？多大？传感器与检测技术传感器与检测技术2电荷放大器电荷放大器能能将将高高内内阻阻的的电电荷荷源源转转换换为为低低内内阻阻的的电电压压源源，而而且且输输出出电电压压正正比比于于输输入入电电荷荷，因因此此，电电荷荷放放大大器器同同样样也也起起着着阻阻抗抗变变换换的的作作用用，其其输输入入阻阻抗抗高高达达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。使使用用电电荷荷放放大大器器突突出出的的一一个个优优点点：在在一一定定条条件件下下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器的灵敏度与电缆长度无关。37传感器与检测技术传感器与检测技术压电传感器与电荷放大器等效电路压电传感器与电荷放大器等效电路A A0 0是放大器的是放大器的开开环增益，增益，（-A-A0 0 ）表示放大器的）表示放大器的输出出与与输入反相，若入反相，若开开环增益增益足足够高，高，则放大器的放大器的输入端入端的的电位接近位接近“地地”电位。位。38（6.2.11）传感器与检测技术传感器与检测技术C CF F、R RF F等效到等效到A0A0的的输入端入端时，电容容C CF F增大增大(1(1A0A0）倍，）倍，1/R1/RF F也增大了也增大了(1(1A0A0）倍，）倍，这就是所就是所谓“密勒效密勒效应”的的结果。果。若考若考虑电缆电容容C CC C，则有有（6.2.13）（6.2.12）传感器与检测技术传感器与检测技术几点结论：几点结论：1 1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2 2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q Q变化成变化成 线性关系的输出电压。线性关系的输出电压。3 3、反馈电容、反馈电容C CF F小，输出就大，小，输出就大，4 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择合适的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择合适的反馈电容。4040A0A0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。器的输出。U USCSC只决定于输入电荷只决定于输入电荷q q和和R RF F、C CF F由于由于传感器与检测技术传感器与检测技术41将将压电式式传感器感器与与一只一只灵灵敏度敏度为S Sv v且可且可调的的电荷荷放大器放大器连接，然后接到接，然后接到灵灵敏度敏度为S Sx x=20mm/V=20mm/V的的光光线示波器上示波器上记录，现知知压电式式压力力传感器感器灵灵敏敏度度为S Sp p=5pc/Pa=5pc/Pa，该测试系系统的的总灵灵敏度敏度为S=0.5mm/PaS=0.5mm/Pa，试问：电荷放大器的荷放大器的灵灵敏度敏度为S Sv v应调为何何值（V/pcV/pc）?用用该测试系系统测40Pa40Pa的的压力力变化化时，光，光线示波示波器上光点的移器上光点的移动距离是多少？距离是多少？传感器与检测技术传感器与检测技术42例例2 2一只一只压电晶体的晶体的电容容为CaCa1000pF1000pF，电荷荷灵灵敏度敏度为SqSq2.5pc/N2.5pc/N，电缆电容容为CcCc3000pF3000pF，示波器的，示波器的输入阻抗入阻抗为1M1M，输入入电容容为50pF50pF。(1)(1)求求压电晶体的晶体的电压灵灵敏度。敏度。(2)(2)分析分析测量系量系统的的频率率响响应特性。特性。(3)(3)如果系如果系统允允许的的测量幅量幅值误差差为5 5，可，可以以测量的最低量的最低频率率为多大？多大？(4)(4)如果如果频率率为10Hz10Hz，允，允许误差差为5 5，用，用并并联连接方式，接方式，并并联电容的容的值为多大？多大？传感器与检测技术传感器与检测技术6.3压电式传感器应用压电式传感器应用6.3.1压电式加速度式加速度传感感器器6.3.2压电式式压力力传感感器器6.3.3压电式流量式流量计43传感器与检测技术传感器与检测技术6.3.16.3.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器有有纵向效应型纵向效应型、横向效应型横向效应型和和剪切效应型剪切效应型三种。三种。纵向效应型纵向效应型是最常见的一种结构是最常见的一种结构当传感器感受振动时，因为质量块相对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，并受到与加速度感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力为方向相反的惯性力，此力为4444传感器与检测技术传感器与检测技术电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材料压电系数料压电系数d d3333和质量块质量和质量块质量m m有关。有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片陶瓷片增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可以提高传感器灵敏度。以提高传感器灵敏度。4545传感器与检测技术传感器与检测技术压电片的连接方式压电片的连接方式并联并联片上的负极集中在中间极上，片上的负极集中在中间极上，串联串联正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，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。正电荷相互抵消。传感器与检测技术传感器与检测技术压电片的连接方式压电片的连接方式比较比较并联接法并联接法输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，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；并且适用于以电荷作为输出量的场合；串联接法串联接法输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输输出电压大，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。出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。47传感器与检测技术传感器与检测技术例例5一只压电式加速度计，供它专用的电缆一只压电式加速度计，供它专用的电缆的长度为的长度为1.2m，电缆电容为，电缆电容为100pF，压，压电片本身的电容为电片本身的电容为1000pF。出厂时标定的。出厂时标定的电压灵敏度为电压灵敏度为100V/g(g=9.8m/s2为重为重力加速度力加速度)，若使用中改用另一根长，若使用中改用另一根长2.9m的电缆，其电容量为的电缆，其电容量为300pF，问电压灵敏，问电压灵敏度如何改变？度如何改变？48传感器与检测技术传感器与检测技术例例13用石英晶体加速度计测量机器的振动，用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g（g9.8m/s2），电荷放大器的灵敏度为），电荷放大器的灵敏度为80mV/pC，当机器达到最大加速度时，当机器达到最大加速度时，相应的输出电压的幅值为相应的输出电压的幅值为4V。试计算该机。试计算该机器的振动加速度为多大？器的振动加速度为多大？49传感器与检测技术传感器与检测技术当膜片当膜片5 5受到压力受到压力P P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷一个压电片上所产生的电荷q q为为6.3.2 6.3.2 压电式压力传感器压电式压力传感器5050电荷灵敏度：电荷灵敏度：电压灵敏度：电压灵敏度：传感器与检测技术传感器与检测技术51例例14 14 有一有一块压电晶体，其面晶体，其面积S=20mmS=20mm2 2，厚度，厚度 10mm10mm，当当受到受到p p10MPa10MPa的的压力作用力作用时，求求它它所所产生的生的电荷量荷量Q Q及及输出出电压。（1 1）压电晶体晶体为0 0度度x x切型的切型的纵向石英晶体。向石英晶体。（2 2）压电晶体晶体为利用利用纵向效向效应的的BaTiOBaTiO3 3。传感器与检测技术传感器与检测技术利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不同来进行测量。同来进行测量。6.3.3 6.3.3 压电式流量计压电式流量计流速与管道横截面积的乘积等于流量。流速与管道横截面积的乘积等于流量。可以测量各种液体的流速。可以测量各种液体的流速。中压和低压气体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达分的影响。其准确度可达0.50.5，有的可达到，有的可达到0.010.01。5252