第6章-压电式传感器v2.ppt

涡街流量计.迈克尔逊干涉仪.心率测量.喇叭点亮LED灯.第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1 6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料6.2 6.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.3 6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用.压电式传感器是一种典型的发电传感器，压电式传感器是一种典型的发电传感器，它以某些电介质的它以某些电介质的压电效应压电效应为基础，在外为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。从而实现非电量电测的目的。优点：尺寸小，重量轻，工作频率宽，可优点：尺寸小，重量轻，工作频率宽，可测量测量最终能变换为力的那些非电物理量，最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态例如动态力（一般必须高于力（一般必须高于100Hz100Hz）、动动态压力、振动加速度等，但态压力、振动加速度等，但不能用于静态不能用于静态参数的测量。参数的测量。压电器件压电器件压电器件压电器件受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变受力、表面形变电荷电荷电荷电荷.6.1 6.1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料（正）压电效应：（正）压电效应：某些电介质，当沿一定方向某些电介质，当沿一定方向受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷；同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换为电场能将机械能转换为电场能的现象称为压电效应。的现象称为压电效应。当作用力的方向当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改改变时，电荷的极性也随着改变。变。F FF F F F F F.逆压电效应逆压电效应/电致伸缩效应电致伸缩效应:当在电介质的极当在电介质的极化方向施加电场，电介质在一定方向上产生化方向施加电场，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，外加电场撤机械变形，内部出现机械应力，外加电场撤去后，这些变形和应力也随之消失，这种去后，这些变形和应力也随之消失，这种将将电能转换为机械能电能转换为机械能的现象称为逆压电效应的现象称为逆压电效应/电电致伸缩效应。致伸缩效应。逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应.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。.将超声波（机械振动波）转换成电信号是将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的利用压电材料的_ _ _；蜂鸣器中发出；蜂鸣器中发出“嘀嘀嘀嘀”声的压电片发声原理是利声的压电片发声原理是利用压电材料的用压电材料的_ _ _。.压电材料压电材料/压电元件：压电元件：具有压电效应的电介质具有压电效应的电介质常见的压电材料有：常见的压电材料有：石英晶体石英晶体经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷压电陶瓷高分子压电材料高分子压电材料.压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数压电常数压电常数压电常数压电常数弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）弹性常数（刚度）介电常数介电常数介电常数介电常数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数机电耦合系数电阻电阻电阻电阻居里点居里点居里点居里点压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有频率、动态特性固有电容、频率下限固有电容、频率下限固有电容、频率下限固有电容、频率下限机电转换效率机电转换效率机电转换效率机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度丧失压电性的温度丧失压电性的温度丧失压电性的温度.一、石英晶体：一、石英晶体：天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形.天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形.石英晶体切片及封装石英晶体切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.石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电路中工作时，压电效应与逆压电效应效应与逆压电效应交替作用，从而产交替作用，从而产生稳定的振荡输出生稳定的振荡输出频率。频率。晶振晶振.6.16.1石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体具有如图石英晶体具有如图6.16.1所示的所示的规则的规则的几何形状几何形状，它是一个，它是一个六棱柱六棱柱，两端是，两端是六六棱锥棱锥。石英晶体是。石英晶体是各向异性体各向异性体，即在各，即在各个方向晶体性质是不同的。个方向晶体性质是不同的。图图6.1石英晶体石英晶体.在结晶学中，将石英晶体的在结晶学中，将石英晶体的结构结构用用三根互相垂直的轴三根互相垂直的轴来表来表示，其中纵向轴示，其中纵向轴Z称为称为光轴光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的X轴称为轴称为电轴电轴，与，与X轴和轴和Z轴同时垂直的轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）轴（垂直于棱面）称为称为机械轴机械轴。.光轴光轴光轴光轴电轴电轴电轴电轴机械轴机械轴机械轴机械轴FxFy纵向压电效应纵向压电效应 横向压电效应横向压电效应 沿沿z z轴方向受力不产生压电效应轴方向受力不产生压电效应 居里点居里点573573六角晶系结构六角晶系结构.石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理 石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图中构决定的。图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+，“”代表氧离子代表氧离子O O2-2-+x xy y+-.（1 1）当当石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时，正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3。(a a)F Fx x=0=0 x xy y+P P1 1P P2 2P P3 3-+-P P=qLqL（q q为电荷量，为电荷量，L L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 P P1 1+P P2 2+P P3 30 0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。.(b b)F Fx x00 x x+F Fx xy y+-F Fx x-P P1 1P P2 2P P3 3-+-+-（2 2）当晶体受到沿）当晶体受到沿x x方向的压力（方向的压力（F F x x 0 00 在在y y、z z方向上的分量为方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0.（3 3）当晶体受到沿）当晶体受到沿x x方向的拉力（方向的拉力（F Fx x 0 0）作用）作用时，时，P P1 1增大，增大，P P2 2、P P3 3减小，此时它们在减小，此时它们在x x、y y、z z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (P1+P2+P3)x00y yx x+F Fx xF Fx xP P2 2P P3 3P P1 1+-+-.当晶体受到沿当晶体受到沿x x(电轴电轴)方向的力方向的力F F F Fx x作用时，在作用时，在x x方向方向产生正压电效应，而产生正压电效应，而y y、z z方向不产生压电效应。方向不产生压电效应。晶体受到晶体受到y y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力F F F Fy y作用时，在作用时，在x x方方向产生正压电效应，在向产生正压电效应，在y y、z z方向同样不产生压电效方向同样不产生压电效应。应。n晶体受到晶体受到z z轴方向受力轴方向受力F F F Fz z的作用时，的作用时，因为晶体沿因为晶体沿x x方向和沿方向和沿y y方向所产生方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，这就表明，在电荷中心保持重合，这就表明，在沿沿z z(即光轴即光轴)方向的力方向的力F F F Fz z 作用下，作用下，晶体不产生压电效应。晶体不产生压电效应。.图图6.2晶体切片上电荷极性与受力方向的关系晶体切片上电荷极性与受力方向的关系(a)X轴方向受压力；（轴方向受压力；（b）X轴方向受拉力；轴方向受拉力；（c）Y轴方向受压力；（轴方向受压力；（d）Y轴方向受拉力轴方向受拉力需要指出的是：上述讨论均假设晶体沿需要指出的是：上述讨论均假设晶体沿X轴和轴和Y轴方向受轴方向受到了到了压力压力。当晶体沿。当晶体沿X轴和轴和Y轴方向受到轴方向受到拉力作用拉力作用时，同样有时，同样有压电效应，只是电荷的压电效应，只是电荷的极性将随之改变极性将随之改变。石英晶片上电荷极。石英晶片上电荷极性与受力方向的关系如下图所示。性与受力方向的关系如下图所示。.（1 1）晶体在某个方向上有正压电效应，则）晶体在某个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。在此方向上一定存在逆压电效应。（2 2）无论是正压电效应还是逆压电效应，）无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系。其作用力与电荷之间呈线性关系。（3 3）晶体具有各向异性特点，晶体具有各向异性特点，并不是在任并不是在任何方向都存在压电效应。何方向都存在压电效应。结论：结论：.在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到温度升高到573573时，石英晶体将完全丧去时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的压电特性，这就是它的居里点居里点。石英晶体的石英晶体的突出优点：突出优点：性能非常稳定，它性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。求较高的传感器中。.（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷u压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。铁磁材料磁畴结构的电畴结构。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，它们各自的极化效应被相互电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。u它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用低，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压电陶瓷 。.在在压压电电陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强，就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场方向。场方向。.常用的压电陶瓷材料：常用的压电陶瓷材料：非铅系列压电陶瓷（如钛酸钡非铅系列压电陶瓷（如钛酸钡BaTiOBaTiO3 3）：具具有有很很高高的的介介电电常常数数和和较较大大的的压压电电系系数数（约约为为石石英英晶晶体体的的5050倍倍）。但但居居里里点点温温度度低低（120120），温温度度稳稳定定性性和和机机械械强强度度不不如如石英晶体。石英晶体。锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）：）：压压电电系系数数更更大大，居居里里点点温温度度在在300300以以上上，各各项项机机电电参参数数受受温温度度影影响响小小，时时间间稳稳定定性性好好。是是目目前前压压电电式式传传感感器器中中应应用用最最广广泛泛的的压电材料。压电材料。.压电陶瓷外形压电陶瓷外形.无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形.陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图附的自由电荷示意图极化方向极化方向-自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极电极电极电极电极-.陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图附的自由电荷示意图极化方向极化方向-自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极电极电极电极电极-.正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图F F-极化方向极化方向极化方向极化方向如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电分自由电荷而出现充电现象。现象。正压电效应正压电效应。.若若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电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，即陶瓷片沿极化方向产生伸荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向长形变。同理，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。这种相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就变为机械能的现象，就是压电陶瓷的是压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应。逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图电电电电场场场场方方方方向向向向极化方向极化方向-.图图图图5-12 5-12 5-12 5-12 压电陶瓷的变形方式压电陶瓷的变形方式压电陶瓷的变形方式压电陶瓷的变形方式y y-+F Fz zF Fz zx xz z（a a a a）纵向变形）纵向变形）纵向变形）纵向变形（b b b b）横向变形）横向变形）横向变形）横向变形（c c c c）体积变形）体积变形）体积变形）体积变形F Fy yF Fy yx xy yz zF Fx x+-F Fz zF Fy yF Fy yx xy yz zF Fx xF Fz z+-.（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（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性）、改性聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）等。）等。优点：是一种柔软的压电材料，可根据需要优点：是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达较宽，测量动态范围可达80dB80dB。.其工作温度一般低于其工作温度一般低于100 100，温度升高时，灵敏度将，温度升高时，灵敏度将降低；降低；它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，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。以免老化。PVDFPVDF的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应，可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。.高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制.高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆.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.常用压电材料常用压电材料常用压电材料常用压电材料.6.2 6.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压电元件的串联与并联压电元件的串联与并联 在实际应用中，由于单片的输出电荷很在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。联和串联。.并联：并联：(a a a a)并联并联并联并联+特点：特点：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上；正电荷集中在两侧的电极上；传感器的电容量大、传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。用于测量缓变信号及电荷量输出信号。.串联串联 ：(b b b b)串联串联串联串联+特点：特点：正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，适于测量以电压作输出的信号和频率较高的大，适于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。信号。.动态力传感器中，两片压电片多采用动态力传感器中，两片压电片多采用_接法，可增大输出电荷量；在电子接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用采用_接法，可使输出电压达上万伏，接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。从而产生电火花。.等效电路等效电路 压电传感器的压电元件受力时，在晶体的压电传感器的压电元件受力时，在晶体的表面上分别聚集等量的正电荷和负电荷，表面上分别聚集等量的正电荷和负电荷，因此它相当于一个电荷发生器，同时，它因此它相当于一个电荷发生器，同时，它也是一个电容器。也是一个电容器。+-+-qCaqCa 电荷源电荷源电荷源电荷源.当两极板聚集异性电荷时，两极板之间呈当两极板聚集异性电荷时，两极板之间呈现电压，因此，压电传感器也可以等效为现电压，因此，压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。一个电压源和一个电容器的串联电路。CaUa 压电元件不受外力作用时，电极表面没压电元件不受外力作用时，电极表面没有电荷产生，电荷源开路，电压源短路，此有电荷产生，电荷源开路，电压源短路，此时的压电元件只等效为一个电容器。时的压电元件只等效为一个电容器。电压源电压源电压源电压源.利用压电传感器进行测量时，它要与测量利用压电传感器进行测量时，它要与测量电路相连接，于是要考虑电路相连接，于是要考虑电缆电容电缆电容 、放大器的输入电阻放大器的输入电阻 、输入电容、输入电容 以及传感器的漏电阻以及传感器的漏电阻 ，实际等效电，实际等效电路为：路为：qCaRaCcRiCiCaUaRaCcRiCiCcRiCiRa.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，即有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回需要测量回路具有无限大的输入阻抗路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于动态测量（一般必须高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以以上时，灵敏度下降）。上时，灵敏度下降）。因为压电元件实际上等效为因为压电元件实际上等效为一个具有电荷的电容，电容在一个具有电荷的电容，电容在电路中会放电，放电时间常数电路中会放电，放电时间常数为为RC，RC越大，放电时间越越大，放电时间越大。为了保持压电元件上的电大。为了保持压电元件上的电荷无泄漏，必须测量回路具有荷无泄漏，必须测量回路具有无限大的输入阻抗无限大的输入阻抗.测量电路测量电路 测量时要考虑的问题：测量时要考虑的问题：（1 1）输入阻抗要大。几百）输入阻抗要大。几百M M以上，从而减小以上，从而减小测量误差。测量误差。（2 2）当压电传感器与测量电路相连时，要考）当压电传感器与测量电路相连时，要考虑电缆电容、放大器输入电阻、输入电容、传虑电缆电容、放大器输入电阻、输入电容、传感器的漏电阻等。感器的漏电阻等。.前置放大器的作用：前置放大器的作用：放大压电传感器的微弱输出信号放大压电传感器的微弱输出信号把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。前置放大器的形式：前置放大器的形式：电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器 .1 1电压放大器电压放大器.前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：.时间常数时间常数时间常数时间常数.输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：.（1 1）当作用在压电元件上的力是静态力）当作用在压电元件上的力是静态力()()时，时，,前置放大器的输入电压等于零，这从原前置放大器的输入电压等于零，这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。理上决定了压电传感器不能用于静态测量。（2 2）当）当 时，时，压电传感器有很好的高频响应，适合测量高频交变力压电传感器有很好的高频响应，适合测量高频交变力.（3 3）灵敏度：）灵敏度：，说明不能单靠增大，说明不能单靠增大电容的方法增大电容的方法增大 ，因为灵敏度会减小，因为灵敏度会减小，所以采用输入阻抗高的放大器。在回路时间常数所以采用输入阻抗高的放大器。在回路时间常数 一定的条件下，作用力的频率越高，越能满足一定的条件下，作用力的频率越高，越能满足 的条件。的条件。（4 4）压电传感器与前置放大器之间的连接电缆不）压电传感器与前置放大器之间的连接电缆不能随意更换，因为电缆的长度变化将使能随意更换，因为电缆的长度变化将使Cc变化，变化，从而引起从而引起Usrm变化，引起测量误差。变化，引起测量误差。.1.惯性环节频率特性（1）传递函数式中.惯性环节的对数频率特性(Bode图).2.微分环节频率特性 传递函数（1）理想微分环节频率特性 幅相频率特性.对数频率特性.理想微分环节对数频率特性(Bode图).对于惯性和微分环节的频率特性？.我们来分析下其幅频特性：我们来分析下其幅频特性：频率下限频率下限.传感器的低频响应范围传感器的低频响应范围 如如果果被被测测物物理理量量是是缓缓慢慢变变化化的的动动态态量量，而而测测量量回回路路的的时时间间常常数数又又不不大大，则则造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降。因因此此为为了了扩扩大大传传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但但这这不不能能靠靠增增加加测测量量回回路路的的电电容容量量来来提提高高时时间间常常数数，因因为为传传感感器器的的电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比比的的，切切实实可可行行的的办办法法是是提提高高测测量量回回路路的的电电阻阻。由由于于传传感感器器本本身身的的绝绝缘缘电电阻阻一一般般都都很很大大，所所以以测测量量回回路路的的电电阻阻主主要要取取决决于于前前置置放放大大器器的的输输入入电电阻阻。放放大大器器的的输输入入电电阻阻越越大大，测测量量回回路路的的时时间间常常数数就就越越大，传感器的低频响应也就越好。大，传感器的低频响应也就越好。.电压放大器应用限制电压放大器应用限制压压电电式式传传感感器器在在与与电电压压放放大大器器配配合合使使用用时时，连连接接电电缆缆不不能能太太长长。电电缆缆长长，电电缆缆电电容容Cc就就大大，电电缆缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电电压压放放大大器器与与电电荷荷放放大大器器相相比比，电电路路简简单单，元元件件少少，价价格格便便宜宜，工工作作可可靠靠，但但是是电电缆缆长长度度对对传传感感器器测测量量精精度度的的影影响响较较大大，在在一一定定程程度度上上限限制制了了压压电式传感器在某些场合的应用。电式传感器在某些场合的应用。.2.2.电荷放大器电荷放大器RfqA电荷放大器的输出电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比电压与输入电荷成正比;电荷放大器可不考虑电电荷放大器可不考虑电缆长度和低频响应。缆长度和低频响应。电压放大器的输出电压电压放大器的输出电压与输入电压（传感器的输出与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电压放大器电压）成正比；电压放大器的结构较简单，所需元件少，的结构较简单，所需元件少，价格便宜，可靠性强；价格便宜，可靠性强；深度电容负深度电容负反馈的高增反馈的高增益运算放大益运算放大器电路器电路;一般一般A很大很大.2.2.电荷放大器电荷放大器RfqA深度电容负深度电容负反馈的高增反馈的高增益运算放大益运算放大器电路器电路;一般一般A很大很大.A足够大，压电元件足够大，压电元件的电容大小和电缆长短的电容大小和电缆长短不影响电荷放大器的输不影响电荷放大器的输出，这是其优点之一。出，这是其优点之一。.频率足够高时，频率足够高时，.但是当频率很低时，但是当频率很低时，.我们来分析下其幅频特性：我们来分析下其幅频特性：频率下限频率下限对比电压放大器：对比电压放大器：频率下限仅与反馈电路频率下限仅与反馈电路参数有关，与连接电缆参数有关，与连接电缆电容、放大器的输入电电容、放大器的输入电容电阻无关。通过选择容电阻无关。通过选择参数，可以使得其低频参数，可以使得其低频截至频率更低。截至频率更低。.四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.焊接式焊接式电荷放大器电荷放大器.超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标主要指标:灵灵 敏敏 度：度：1 1、1010、100mV/pC(100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围：频率范围：0.30.3100KHz(100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV1mV归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整线性误差：线性误差：1%1%最大输出：最大输出：5V5V或或10V10V电电源：源：6V6V15V15V .其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器.其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）.6.3 6.3 压电传感器的应用压电传感器的应用一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1.1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统号传送给集中报警系统。粘贴粘贴位置位置.将将厚厚约约0.2mm0.2mm左左右右的的PVDFPVDF薄薄膜膜裁裁制制成成1010 20mm20mm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膜覆盖。覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q 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。质量块质量块.报警器的电路原理框图报警器的电路原理框图.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）将长的压电电缆将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克可起分布式地下麦克风或听音器的作用，风或听音器的作用，可在几十米范围内探可在几十米范围内探测人的步行测人的步行,对轮式对轮式或履带式车辆也可以或履带式车辆也可以通过信号处理系统分通过信号处理系统分辨出来。右图为测量辨出来。右图为测量系统的输出波形。系统的输出波形。.3.3.交通监测交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交监测、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。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。.高分子压电电高分子压电电缆的应用演示缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约公路的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。的车型。.二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电式力传感器压电式力传感器压压电电式式力力传传感感器器按按其其用用途途和和压压电电元元件件的的组组成成可可分分为为单单向向力力、双双向向力力和和三三向向力力传传感感器器。它它可可以以测测量量几几百百至至几几万万牛牛顿顿的的动态力。动态力。一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构如图结构如图5.15所示。压电元件采用所示。压电元件采用xy（即（即X0）切型石英晶体，）切型石英晶体，利用其利用其纵向压电效应纵向压电效应，通过，通过d11实现力实现力-电转换。上盖为传力元电转换。上盖为传力元件，其弹性变形部分的厚度较薄（其厚度由测力大小决定），件，其弹性变形部分的厚度较薄（其厚度由测力大小决定），聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。这种结构的单向力传感聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。这种结构的单向力传感器器体积小，重量轻体积小，重量轻（仅（仅10g），），固有频率高固有频率高（约（约5060 kHz），），最大可测最大可测5000N的动态力，分辨率达的动态力，分辨率达10-3N.压电式动态力传感器在车床压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量中用于动态切削力的测量动态力动态力传感器传感器刀架刀架车刀车刀工件工件.图图5.15单向压电石英力传感器的结构单向压电石英力传感器的结构利用其纵向压电效应，实现利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用力一电转换。它用两块晶片两块晶片作传感元件作传感元件，被测力通过传，被测力通过传力上盖使石英晶片沿电轴方力上盖使石英晶片沿电轴方向受压力作用，由于纵向压向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，向上出现电荷，两块晶片沿两块晶片沿电轴方向并联叠加电轴方向并联叠加，负电荷，负电荷由电极输出，压电晶片正电由电极输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。荷一侧与底座连接。两片并两片并联可提高其灵敏度。联可提高其灵敏度。2024/5/13 周一.5.4.3 5.4.3 压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器的种类很多，这里着重介绍常用的压电式压力传感器的种类很多，这里着重介绍常用的膜片式压电压膜片式压电压力传感器力传感器。为了保证传感器具有良好的长时间为了保证传感器具有良好的长时间稳定性和线性度，而且能在较高的环境稳定性和线性度，而且能在较高的环境温度下正常工作，压电元件采用温度下正常工作，压电元件采用两片两片xyxy(X0)(X0)切型的石英晶片切型的石英晶片。这两片晶片。这两片晶片在电气上采取在电气上采取并联连接并联连接。作用到膜片上作用到膜片上的压力通过传力块施加到石英晶片上，的压力通过传力块施加到石英晶片上，使晶片产生使晶片产生厚度厚度变形变形。为了保证在压力（尤其是高压力）为了保证在压力（尤其是高压力）作用下，石英晶片的变形量（约零点几作用下，石英晶片的变形量（约零点几到几微米）不受损失，传感器的壳体及到几微米）不受损失，传感器的壳体及后座（即芯体）的刚度要大。后座（即芯体）的刚度要大。.图图5.19膜片式压电压力传感器膜片式压电压力传感器从从弹性波的传递弹性波的传递考虑，考虑，要求通过传力块及导电片的作用要求通过传力块及导电片的作用力快速而无损耗地传递到压电元件上力快速而无损耗地传递到压电元件上，为此传力块及导电片，为此传力块及导电片应采用应采用高音速材料高音速材料，如不锈钢等。，如不锈钢等。.两片石英晶片输出的总电荷量两片石英晶片输出的总电荷量q q为：为：q q=2d=2d1111SP (5.12)SP (5.12)式中：式中：d d1111石英晶体的压电常数；石英晶体的压电常数；S S膜片的有效面积；膜片的有效面积；P P压力。压力。这这种种结结构构的的压压力力传传感感器器的的优优点点是是：有有较较高高的的灵灵敏敏度度和和分分辨辨率率，而且，而且有利于小型化有利于小型化。缺缺点点是是：压压电电元元件