6压电传感器详解.pptx

本章介绍本章介绍压电效应压电效应、逆压电效应及应用逆压电效应及应用、压电元件压电元件、等效电路、等效电路、电荷放大器电荷放大器、压电压电传感器的结构传感器的结构及应用，及应用，振动的基本概念、振动的基本概念、振动传感器振动传感器及及振动频谱分析等振动频谱分析等。第六章第六章 压电传感器压电传感器 第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理压电式传感器的特点：压电式传感器的特点：是是一一种种自自发发电电式式传传感感器器。它它以以某某些些电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，在在外外力力作作用用下下，在在电电介介质质表表面产生电荷面产生电荷，从而实现电量电测的目的。，从而实现电量电测的目的。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些非非电电物物理理量量，例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振振动动加加速速度度等等，但但不不能能用用于于静静态态参参数的测量。数的测量。一、压电效应一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电电荷荷Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比，这种现象称为，这种现象称为压电压电效应效应。还有一些人造材料也具有压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上若在电介质的极化方向上施加交变电压施加交变电压，它，它就会就会产生机械变形产生机械变形。当去掉外加电场时，电介。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）。）。天然石英晶体的结构及剖面天然石英晶体的结构及剖面天然石英晶体外形天然石英晶体外形石英晶体石英晶体石英晶体的化学式为石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中，它的每个晶胞中有有3个硅离子和个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。2024/10/9 周三7天然石英晶体的三个轴天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为光轴，也称纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效轴，有折光效应，没有压电效应应。经过正六面体棱经过正六面体棱线，并垂直于光轴的线，并垂直于光轴的轴线称为电轴轴线称为电轴，也称也称x轴轴；经过正六面体经过正六面体的棱面且垂直于光轴的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，的轴线称为机械轴，也称也称y轴轴。天然石英晶体的三个面天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面个面分别垂直于光轴（分别垂直于光轴（z轴）、电轴（轴）、电轴（x轴）和机械轴轴）和机械轴（y轴）。轴）。石英晶体切片的三个面（续）石英晶体切片的三个面（续）在在x面的两个表面施加压力，则在面的两个表面施加压力，则在x面的表面面的表面产生电荷；产生电荷；在在y面的两个表面施加压力，仍然只在面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生面产生电荷。电荷。l、b分别为分别为石英晶片的长度、石英晶片的长度、厚度和高度。厚度和高度。电电荷只产生在与荷只产生在与x轴轴垂直的垂直的x面的前后面的前后两侧。两侧。石英晶体的特性石英晶体的特性石石英英（SiO2）是是一一种种具具有有良良好好压压电电特特性性的的压压电电晶晶体体。其其介介电电常常数数和和压压电电系系数数的的温温度度稳稳定定性性相相当当好好,在在常常温温范范围内这两个参数几乎不随温度变化围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。如下两图。在在20200范范围围内内，温温度度每每升升高高1，压压电电系系数数仅仅减减少少0.016。但但是是当当到到573时时，它它突突然然完完全全失失去去了了压电特性压电特性，这就是它的，这就是它的居里点居里点。石英的石英的d11系数相对于系数相对于20的的d11温度变化特性温度变化特性石英在高温下相对介电常数的石英在高温下相对介电常数的温度特性温度特性石英晶体的切片石英晶体的切片石英晶体片及封装石英晶体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天然石英晶体的天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较轴向受力产生电荷比较1.在在晶晶体体的的弹弹性性限限度度内内，在在x轴轴方方向向上上施施加加压压力力Fx时时，在，在x面上产生的电荷为：面上产生的电荷为：Q=d1111Fx式中式中 的的 d1111称为压电常数。称为压电常数。2.在在y轴轴方方向向施施加加压压力力Fy时时，仍仍然然在在x面面上上产产生生电荷：电荷：式中的式中的 l、为石英为石英晶片的长度和厚度。晶片的长度和厚度。石英晶体石英晶体的压电效的压电效应演示应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，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输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加静当施加静态力时，态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失失。1正电荷等效中心正电荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心压电效应的微观分析压电效应的微观分析在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。1正电荷等效中心正电荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心 晶体沿晶体沿x面受压力时面受压力时的带电情况分析的带电情况分析石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，x面的上表面带正电，下表面带负电面的上表面带正电，下表面带负电Q=d1111Fx1正电荷等效中心正电荷等效中心 2负电荷等效中心负电荷等效中心晶片晶片沿沿x面受拉力时面受拉力时，或是，或是所受压力消失后，所受压力消失后，弹性体反弹时弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离中心分离,x面的上表面带负电面的上表面带负电,下表面带正电下表面带正电。受交变力时，产生交变电信号。受交变力时，产生交变电信号。y面受压力时的带电情况等效于沿面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力轴方向施拉力的情况。但产生的电荷量可能比沿的情况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时轴方向施拉力时的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比 l/的倍的倍数数而不同。而不同。沿沿 y面受压力时面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生石英晶体的正负电荷中心也产生分离分离,x面的上表面带负电面的上表面带负电,下表面带正电下表面带正电无论是沿无论是沿x轴方向施加力，还是沿轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，轴方向施加力，电荷只产生在电荷只产生在x面上。面上。光轴（光轴（z轴）轴）方向受力时，由于方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。产生压电效应。沿沿 y面受拉力时面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生石英晶体的正负电荷中心也产生分离分离,x面的上表面带正电面的上表面带正电,下表面带负电下表面带负电，带电的方向带电的方向与与x面受压力时的情况相同面受压力时的情况相同交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生交变电荷对压电元件施加交变力，产生交变电荷产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。等效于交变电荷源。外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但但在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保，电荷的保存时间通常小于几秒存时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻而且要求放大器的输入电阻Ri无无限大限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。因此压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件的等效电路压电元件的等效电路 交变电荷源两端并联一个极间电容交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻和漏电电阻Ra。极间电容极间电容Ca约为约为1000pF数量级，与压电片的面积成数量级，与压电片的面积成正比正比；漏电电阻；漏电电阻Ra应应大于大于1M。如果在压电材料的如果在压电材料的两个电极面上施加交流电两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩电致伸缩效应效应”，也叫做，也叫做“逆压电效应逆压电效应”。逆压电效应逆压电效应煤气灶压电点火器煤气灶压电点火器另一种是利用压电陶瓷制成的。另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按钮，使劲扭动打火按钮，“撞击块撞击块”敲敲击多块串联的压电陶瓷，就能产生击多块串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气。高电压，形成电火花而点燃煤气。压电陶瓷还可以制成电子打火机，压电陶瓷还可以制成电子打火机，可使用可使用100万次以上。万次以上。23煤气灶上的点火器煤气灶上的点火器有两种。一种为有源有两种。一种为有源点火器，要依靠干电点火器，要依靠干电池逆变电路产生高压池逆变电路产生高压电火花；电火花；二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料常用的压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：有三类：一类是一类是压电晶体压电晶体（如上述的石英晶体）（如上述的石英晶体）；另一类是另一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷；第三类是经过极化处理的第三类是经过极化处理的高分子压电材高分子压电材料。料。石英晶体的特性石英晶体的特性石石英英晶晶体体在在20200的的范范围围内内压压电电常常数数的的变变化化量量只只有有-0.0001/。还还具具有有自自振振频频率率高高、动动态态响响应应好好、机机械械强强度度高高、绝绝缘缘性性能能好好、迟迟滞滞小小、重重复复性性好好、线线性性范围宽等优点。范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.31 10-12C/N。因因此此石石英英晶晶体体大大多多只只在在标标准准传传感感器器、高高准准确确度度传传感感器器或或使使用用高高温温压压电电传传感感器器中中使使用用，而在一般要求的测量中，基本上采用而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷压电陶瓷。（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造，而制造成本却较低成本却较低，因此目前国内外生产的压电元，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件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶。常用的压电陶瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）等）。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 压电陶瓷的工作原理压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种压电陶瓷是一种多晶压电材料多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件下，经在一定的工艺条件下，经1000以上高温烧结、机械以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此因此原始的压电陶瓷呈中性原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质不具有压电性质。为了使。为了使压电陶瓷具有压电效应压电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀必须在高温下，在上下端面镀上电极，上电极，用上千伏高电压进行用上千伏高电压进行极化处理极化处理，使电畴的方使电畴的方向趋向一致向趋向一致，冷却后就具有压电效应。，冷却后就具有压电效应。压电陶瓷的极化处理压电陶瓷的极化处理 a）极化处理前电畴杂乱分布）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布）冷却、稳定后的电畴分布1镀银上电极镀银上电极 2压电陶瓷压电陶瓷 3镀银下电极镀银下电极 4电畴电畴 5极化高压电源极化高压电源 细微的电畴极化方向细微的电畴极化方向无铅压电陶瓷无铅压电陶瓷锆锆钛钛酸酸钡钡钙钙的的压压电电系系数数达达到到600pC/N，压压电电性性能能已已超超过过了了世世界界上上已已使使用用半半个个世世纪纪、但但对对人人体体和和环环境境有有害害的的核核心心压压电电材材料料锆锆钛钛酸酸铅铅陶陶瓷瓷（250pC/N）。无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。压电陶瓷与石英晶体的特性比较压电陶瓷与石英晶体的特性比较 .（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（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF）、改性）、改性聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连状。它不易破碎，具有防水性，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，频率响应范围较宽，便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可测量动态范围可达达80dB。高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制、切片、切片高分子压电材料高分子压电材料的特性的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达围可达80dB，频率响应范围可从频率响应范围可从0.1Hz直至直至109Hz。工作温度一般低于工作温度一般低于100。温度升高时，灵敏。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能度将降低。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。力较差，不宜暴晒，以免老化。高分子压电材料制作的高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆压电垫和压电电缆 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 第二节第二节 压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路 压电传感器的输出阻抗较大，压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有要求电压放大器具有较大的输入阻抗较大的输入阻抗。又由于压电传感器的。又由于压电传感器的输出电压与压输出电压与压电片的极间电容电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容以及传输线的对地分布电容Cc有关有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。的影响。现在多采用现在多采用“电荷放大器电荷放大器”来来将将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电压，属于电荷转换为电压，属于Q/U转换器，但并无放大电荷的转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种作用，只是一种习惯叫法习惯叫法。压电元件的压电元件的极间电容极间电容压压电电元元件件在在承承受受沿沿敏敏感感轴轴方方向向的的外外力力作作用用时时，将将产产生生电电荷荷，因因此此它它相相当当于于一一个个电电荷荷源源。当当压压电电元元件件表表面面聚聚集集电电荷荷时时，它它又又相相当当于于一一个个以以压压电电材材料料为为介介质质的的电电容器，两电极板间的电容容器，两电极板间的电容Ca为为式中式中A压电元件电极面积；压电元件电极面积；压电元件厚度；压电元件厚度；r压电材料的相对介电常数；压电材料的相对介电常数；0真空介电常数。真空介电常数。压电元件的图形符号及等效电路压电元件的图形符号及等效电路a）结构示意图）结构示意图 b）压电元件的符号）压电元件的符号 c）压电元件的等效电路）压电元件的等效电路1镀银上电极镀银上电极 2压电晶体压电晶体 3镀银下电极镀银下电极压电传感器的输出电压与等效电容的关系压电传感器的输出电压与等效电容的关系如果压电元件直接与放大器配套使用，如果压电元件直接与放大器配套使用，除了极间电除了极间电容，还应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分容，还应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分布电容布电容Cc的影响的影响。如果忽略。如果忽略Ra和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻Ri的影响，则有的影响，则有式中式中Ci电压放大器的输入电容；电压放大器的输入电容；Q压电元件输出的电荷量。压电元件输出的电荷量。屏蔽电缆的对地分布电容大约为屏蔽电缆的对地分布电容大约为100pF/m。当。当屏蔽屏蔽电缆较长时，电缆较长时，Cc显著增大，显著增大，放大器的输入电压放大器的输入电压U i 将将比压电传感器空载时的输出比压电传感器空载时的输出U o小很多，小很多，且不稳定且不稳定。压电传感器与二次仪表连接的等效电路压电传感器与二次仪表连接的等效电路Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻为放大器的输入电容和输入电阻电荷放大器电荷放大器1压电传感器压电传感器 2屏蔽电缆线屏蔽电缆线 3传输线分布电容传输线分布电容 4电荷放大器电荷放大器SC灵敏度选择开关灵敏度选择开关 SR带宽选择开关带宽选择开关 Cf Cf 在放大器输入端的密勒等效电容在放大器输入端的密勒等效电容 CfCf在放大器输出端的密勒等效电容在放大器输出端的密勒等效电容电荷放大器基本电路电荷放大器基本电路电荷放大器原理分析电荷放大器原理分析反反馈馈电电容容Cf 跨跨接接在在放放大大器器的的反反相相输输入入端端和和输输出出端端之之间间。根根据据密密勒勒等等效效定定理理，相相当当于于在在输输入入端端并并联联了了一一个个容容量量很很大大的的等等效效电电容容Cf。设设运运算算放放大大器器的的开开环环增增益益数数为为Au，通通常常约约为为120dB，相相当当于于 106。Cf=(1+Au)Cf，Cf的的 取取 值值 范范 围围 多多 为为100pF 0.1F。若若Cf取取最最小小值值100pF，则则等等效效电电容容Cf约约为为100F。输输入入回回路路的的总总电电容容基基本本上上由由C f决定决定C总总=Ca+Cc+C i+(1+Au)C f电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压式中式中Q：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值；：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值；Cf：并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容当当A足足够够大大时时，则则(1+A)C f(Ca a+Cc+Ci)，上上式式可可化化简为简为由由此此可可知知,电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压仅仅与与输输入入电电荷荷和和反反馈电容有关馈电容有关,电缆引线电容等因素的影响可忽略不计。电缆引线电容等因素的影响可忽略不计。压电传感器与压电传感器与电荷放大器及电荷放大器及后续仪表的后续仪表的连接连接.反馈电容的选取反馈电容的选取当被测振动较小时，电荷放大器的当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容应取得反馈电容应取得小一些，可以取得较大的输出电压小一些，可以取得较大的输出电压；为了进一步减少传感器输出电缆的分布电容对放大为了进一步减少传感器输出电缆的分布电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内，或紧靠电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内，或紧靠在传感器附近；在传感器附近；为了防止因为了防止因Cf长时间充电导致集成运放饱和，在长时间充电导致集成运放饱和，在Cf上并联直流负反馈电阻上并联直流负反馈电阻Rf。改变反馈电容改变反馈电容Cf的大小，可以粗调灵敏度的大小，可以粗调灵敏度。Cf的调节范围可以从的调节范围可以从100pF100nF。1nF=1000pF广义的机械灵敏度的分母用广义的机械灵敏度的分母用unit表示表示,取决于所用传取决于所用传感器的机械单位。感器的机械单位。例如：例如：加速度为加速度为g(或或m/S2),压力为压力为kPa，动态力为动态力为N（牛）等。（牛）等。电荷放大器的高频截止频率电荷放大器的高频截止频率电荷放大器的电荷放大器的上限频率由运放的频率响应、电压上上限频率由运放的频率响应、电压上升率、噪声系数、线路的分布电容等决定升率、噪声系数、线路的分布电容等决定。如果电缆。如果电缆线太长，电缆电容和杂散电容增加，都会导致放大器线太长，电缆电容和杂散电容增加，都会导致放大器的高频特性变差。若忽略运放的输入电容和输入电阻，的高频特性变差。若忽略运放的输入电容和输入电阻，则上限频率为则上限频率为 式中式中Rk和和Ck为电缆的等效电阻和等效电容，为电缆的等效电阻和等效电容，Cq为传感为传感器的等效电容。为器的等效电容。为提高信噪比，应选择上限频率为提高信噪比，应选择上限频率为被测被测信号中最高频率三倍以上信号中最高频率三倍以上的电荷放大器。的电荷放大器。反馈反馈电阻电阻的选取的选取及低频截止频率及低频截止频率Rf与与Cf的乘积决定电荷放大器的下限频率的乘积决定电荷放大器的下限频率fL。当。当Cf 由由灵敏度的要求确定后，灵敏度的要求确定后，Rf越大，电荷放大器的的低频特越大，电荷放大器的的低频特性就越差。性就越差。当被测电荷信号的频率下降到当被测电荷信号的频率下降到fL时，电荷放时，电荷放大器的输出电压降低到中频的大器的输出电压降低到中频的 时时此时的低频截止频率此时的低频截止频率fL=1/2C f R f。可以在面板上选择可以在面板上选择Rf，M档反馈电阻为档反馈电阻为1011，L L档反档反馈电阻为馈电阻为1013。最大输入电荷量最大输入电荷量可达可达1010 6 6p pC C。当振动。当振动信号幅度大于信号幅度大于10Vp10Vp时时,过载指示过载指示器的发光二极管亮器的发光二极管亮,并触发复位开关。并触发复位开关。1）压压电电元元件件的的输输出出电电荷荷量量Q的的有有效效值值为为多多少少库伦？库伦？2）被测振动力被测振动力F F 的有效值为多少？的有效值为多少？3）电荷放大器的灵敏度）电荷放大器的灵敏度KQ为多少为多少mV/pC？4 4）该）该电荷放大器的下限截止频率为多少赫？电荷放大器的下限截止频率为多少赫？例例 某压电元件用于测量振动，灵敏度某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=10010-12C/N，电荷放大器的反馈电容，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=10M，测得，测得A1的输出电压的输出电压Uo=0.2V，求，求:4）下限频率：）下限频率：解解 1）压电元件的输出电荷量）压电元件的输出电荷量Q的有效值的有效值 Q=CfUo=(100010-12F0.2V)=200pC2）被测振动力）被测振动力3）灵敏度）灵敏度四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .某电荷放大器的前后面板某电荷放大器的前后面板多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形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有在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，即需要测量回路具有无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在交。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故量回路以一定的电流，故只适用于动态测量只适用于动态测量（一（一般必须高于般必须高于3Hz3Hz，但在，但在30kHz30kHz以上时，灵敏度下降）以上时，灵敏度下降）。第三节第三节 压电传感器的结构及应用压电传感器的结构及应用 一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 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。粘贴粘贴位置位置高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块 将将厚厚约约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极，再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线线。并并用用保保护护膜覆盖。膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，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 ，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。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）将压电电缆埋在泥土的将压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人可在几十米范围内探测人的步行的步行,对轮式或履带式车对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系辆也可以通过信号处理系统分辨出来。统分辨出来。多通道测量系统多通道测量系统的输出波形的输出波形1铜芯线（分布电容内电极）铜芯线（分布电容内电极）2管状高分子压电塑料绝缘层管状高分子压电塑料绝缘层3铜网屏蔽层（分布电容外电极铜网屏蔽层（分布电容外电极）4橡胶保护层（承压弹性元件）橡胶保护层（承压弹性元件）高分子压电电缆周界报警系统高分子压电电缆周界报警系统交通监测交通监测（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通收费站地磅、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。数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。将高分子将高分子压电电缆埋压电电缆埋在公路上，在公路上，可以获取车可以获取车型分类信息：型分类信息：高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并并为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。C并并=2C，U并并=U，Q并并=2Q1刚性传力上盖刚性传力上盖 2压电片压电片 3电极电极 4电极引出插头电极引出插头 5绝缘材料绝缘材料 6底座底座电荷电荷Q的幅值与所受的动态力成正比，频率与振动的幅值与所受的动态力成正比，频率与振动的频率相同。依据电荷放大器的输出的频率相同。依据电荷放大器的输出uo的幅值和频率，的幅值和频率，就可以测知动态力就可以测知动态力 F：压电式单向动态力传感器压电式单向动态力传感器压电式动态力传感器以及在压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量车床中用于动态切削力的测量 一体化车刀一体化车刀动态力测量动态力测量作业nP155：6-2，6-52024/10/9 周三66