第6章压电式传感器课件.ppt

1、第6章 压电式传感器 第 6 章 压电式传感器 概述概述1压电效应压电效应与与压电材料压电材料2压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路3压电式传感器的应用压电式传感器的应用4第6章 压电式传感器 压电晶体的极化压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路第6章 压电式传感器 6.0 概述概述 压电式传感器以某些电介质（如石英晶体或压电陶瓷、高 分子材料）的原理工作的传感器。1.压电传感器压电传感器是一种典型的有源传感器（属于发电型传感器）。有源传感器（属于发电型传感器）。压电式传感器具有：压电式传感器具有：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重

2、量轻等优点。结构简单、工作可靠、重量轻等优点。2.特点特点第6章 压电式传感器 压电传感传感器是，用以测量等非电物理量。3.应用应用 因此，在等许多技术领域中获得了广泛的应用。第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 6.1.1 压电效应压电效应 一些离子型晶体的电介质在作用下，称为。（1）（顺压电效应顺压电效应）第6章 压电式传感器 在压电介质而使它变形时，同时在它的一定。当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。这种机械能转换为电能的现象称为（顺压电效应顺压电效应）简称。第6章 压电式传感器（3）（电致伸缩效应电致伸缩效应）

3、当在电介质的这些电介质就在。当，这些的现象。第6章 压电式传感器 6.1.2 压电材料压电材料 1.单晶体与多晶体单晶体与多晶体 晶体有三个特征：第6章 压电式传感器（1）单晶体）单晶体 单晶体是原子，的晶体。例如：。整块晶体由一颗晶粒组成，或是能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体，所以单晶体中单晶体中(一个巨大晶粒一个巨大晶粒)具具有各向异性有各向异性。第6章 压电式传感器（2）多晶体）多晶体 多晶体是由很多具有但组成的则称为。整块晶体由大量晶粒组成，或是不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。第6章 压电式传感器 2.压电材料的类型压电材料的类型压电材料可以分为四大类：压电材料可以分为四大类：目前

4、国内外普遍应用的是和钛酸钡与锆钛酸铅系列。（1）压电晶体）压电晶体:为单晶体为单晶体，如石英等；如石英等；（2）压电陶瓷）压电陶瓷:为经极化处理的多晶，为经极化处理的多晶，如钛酸钡、锆钛酸铅等；如钛酸钡、锆钛酸铅等；（3）压电半导体：为半导体，）压电半导体：为半导体，如硫化锌、碲化镉等；如硫化锌、碲化镉等；（4）压电聚合物：有机高分子压电材料，如）压电聚合物：有机高分子压电材料，如聚二氟乙烯。聚二氟乙烯。第6章 压电式传感器 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介介电常数和压电系数电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化个参数几

5、乎不随温度变化，如下两图。由图可见，在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时时，它完全失去了压电它完全失去了压电特性特性（d11急剧下降急剧下降），这就是它的居里点居里点。（1）石英晶体）石英晶体第6章 压电式传感器 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的石英的d11系数系数相对于相对于20的的d11温度变化特性温度变化特性6543210100 200 300400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下石英在高温下相对介电常数相对介电常

6、数的温度特性的温度特性第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器（2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 （2 2）锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。（1 1）钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压

7、电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足不足之处是居里温度低（之处是居里温度低（120），），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器（3）压电半导体材料）压电半导体材料 （4 4）压电聚合物）压电聚合物 如ZnO、CdS、ZnO、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。可测取力和温度等参数。聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电

8、效应较强的聚合物薄膜）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种这种合成高分子薄膜合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料可以掺入压电陶瓷粉

9、末，制成混合复合材料(PVF2PZT)。第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 3.压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的。第6章 压电式传感器 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的。它是指压电材料开始丧。它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料。第6章 压电式传感器 表表6-1 常用压电材料性能参数常用

10、压电材料性能参数 第6章 压电式传感器 6.1.3 石英晶体的压电特性石英晶体的压电特性1.石英晶片的切型石英晶片的切型为此在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石为此在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型！英片的切型！第6章 压电式传感器 石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构，天然结构的石英晶体外形是一个正六面体正六面体。图6-2 石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片 机械轴机械轴电轴电轴光轴光轴经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 称为电轴称为电轴与x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。称为机械轴。纵向轴 z 称为光轴称为光轴 在垂直在垂直X轴

11、方向两轴方向两面用真空镀膜或沉面用真空镀膜或沉银法得到电极面银法得到电极面。第6章 压电式传感器 把沿电轴电轴 x 方向方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”；把沿机械轴机械轴 y 方向方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。沿光轴光轴 z 方向方向的力作用时不产生压电效应。不产生压电效应。根据石英晶体在根据石英晶体在xyz直角坐标系中的方位切下一片直角坐标系中的方位切下一片晶体切片，可分为两大切族：晶体切片，可分为两大切族：第6章 压电式传感器 这是以厚度方向平行于晶体X轴，长度方向平行于Y轴，宽度方向平行于Z轴这一原始位置旋出来的各种不同

12、的几何切型。X切族的原始位置第6章 压电式传感器 这是以厚度方向平行于晶体的Y轴，长度方向平行于X轴，宽度方向平行于Z轴这一原始位置旋转出来的各种几何切型。Y切族的原始位置第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 石英晶片的切型符号表示方法石英晶片的切型符号表示方法（1）IRE标准规定的切型符号表示法；标准规定的切型符号表示法；本标准是本标准是l957l957年年IRE（无线电工程师协会无线电工程师协会）关关予压电晶体的标准予压电晶体的标准（2 2）习惯符号表示法。）习惯符号表示法。第6章 压电式传感器（1）IRE标准规定的切型符号表示法标准规定的切型符号表示法 IRE标准规定的切型符号：标

13、准规定的切型符号：包括一组字母（包括一组字母（X、Y、Z、t、l、b）和角度。）和角度。用 X、Y、Z中任意两个两个字母的先后排列顺序，先后排列顺序，表示石英晶片和的；用字母t（厚度）、l（长度）、b（宽度）表示旋转轴的位置。表示旋转轴的位置。第6章 压电式传感器 例如：例如：(YXl)35 切型切型，其中第一个字母 Y 表示表示石英晶片在原始位置(即旋转前的位置)时的厚度厚度沿沿Y轴方向轴方向，第二个字母 X 表示表示石英晶片在原始位置时的长度沿长度沿X轴轴方向方向，第三个字母 l 和角度和角度 35 表示表示石英晶片绕长度逆时针旋转绕长度逆时针旋转35。（YXl）35切型切型(a)石英晶片

14、原始位置石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位石英晶片的切割方位第6章 压电式传感器 习惯符号表示法它。例如，目前应用较多的按上图按上图（YXl）35切型切切型切割出来的石英片，称为割出来的石英片，称为切型切型，此外还有和等切型。（2）习惯符号表示法）习惯符号表示法第6章 压电式传感器 3.压电方程与压电系数压电方程与压电系数（1）压电方程）压电方程ijqd F应力的作用方向应力的作用方向（2）压电系数）压电系数压电系数下标系数的含义压电系数下标系数的含义第一个下标表示极化方向第一个下标表示极化方向i=1、2、3分别表示分别表示x、y、z 三个三个轴方向轴方向。j=1、2、3、4、5、6 分

15、别分别表示沿表示沿 x、y、z 三个轴方向的应力和三个轴方向的应力和垂直于垂直于x、y、z 三个轴平面（三个轴平面（XZ、YZ、XY平面）作用的剪切力。平面）作用的剪切力。第二个下标表示作用力方向第二个下标表示作用力方向第6章 压电式传感器 例如X切族原始位置的晶片切族原始位置的晶片如图所示，当沿电轴方向施加作用力当沿电轴方向施加作用力Fx时，时，在与电轴在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷，其大小为其大小为：xxFdq11式中,第6章 压电式传感器 若在同一切片上，若在同一切片上，沿机械轴沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy，则仍在与，则仍在与x轴垂轴垂直的平面直的

16、平面上产生电荷上产生电荷qy，其大小为，其大小为 yyyFbadFbadq1112d12y轴方向受力的压电系数，；a、b晶体切片的长度和厚度。电荷电荷 qx 和和 qy 的符号由受压力还是受拉力决定。的符号由受压力还是受拉力决定。第6章 压电式传感器 若采用若采用xy切型切型，则图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于在垂直于z轴的轴的xy平面上的投影平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“+”代表硅离子硅离子Si4+，“-”代表氧离子2O2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图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

17、+第6章 压电式传感器 1.1.不受力时不受力时 Y+-X(a)FX=0P1P2P3 当作用力当作用力FX=0时，时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 第6章 压电式传感器（1）当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的压力方向的压力作用时作用时 FXXY+FX(b)FX0（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0第6章 压电式传感器（2）当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的拉力方向的拉力作用时作用时（P1+P2+P3）X 0Y+-+FXFX

18、P2P3P1+X 可见，当晶体受到沿当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向方向产生正压产生正压电效应电效应，而，而Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。第6章 压电式传感器 在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其。当时（图中从上到下的力），上下表面；当，压电材料，。第6章 压电式传感器 3.3.y 轴方向受力轴方向受力 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。（1）当当FY0时时(拉力拉力)，晶体的形变与图（晶体的形变与图（b）相似；）相似；（2）当当FY0时（压力），时（压力），则与图（则与图（c）相似。）相似。第6章 压电式传感器 4.

19、4.z 轴方向受力轴方向受力 如果沿如果沿z轴方向施加作用力，轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。第6章 压电式传感器 6.1.4 压电陶瓷的压电特性压电陶瓷的压电特性 压电陶瓷是人工制造的多晶体人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多形成的微小极化区域，称为称为“电畴电畴”，它们是压电特性的基础。1.压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化第6章 压电式传感器 图图6-4 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 第6章 压电式传感器（1）在

20、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抵消，。因此原始的压电陶瓷呈中性，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,如图6-4（a）所示。（3）当外电场去掉后，）当外电场去掉后，电畴的极化方向基本保持不变（类似于铁磁物质电畴的极化方向基本保持不变（类似于铁磁物质在磁场中被磁化现象），即剩余极化强度很大，在磁场中被磁化现象），即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电这时的材料才具有压电特性，特性，如图6-4（c）所示。（2）在陶瓷上施加外电场时，）在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化极化

21、。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程极化达到饱和的程度度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，如图6-4（b）所示。第6章 压电式传感器 但是，但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以的形式表现出来，由于的作用，在陶瓷片的电极面上了一层来自外界的。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，这些自由电荷与陶瓷片内的

22、束缚电荷符号相反而数量相等，它起着瓷片内对外界的作用。所以电压表不能测所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图：出陶瓷片内的极化程度，如图：第6章 压电式传感器 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图第6章 压电式传感器 2.正压电效应正压电效应 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F第6章 压电式传感器（2）当压力撤消后，当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大距离变大，极化强度也变大极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象出现充电现象。（1 1）如果在陶瓷片

23、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，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，距离变小，极化强度也变小。极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，释放，而出现放电荷现象出现放电荷现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，。第6章 压电式传感器 压电陶瓷压电陶瓷压电方程压电方程 Fdq33式中：d33 压电陶瓷的压电系数；F作用力。对于压电陶瓷，通常把它的 极化方向取为极化方向取为 z 轴（下标轴（下标3），），这是它的对称轴，在垂直于z 轴的

24、平面上，任何方向都可以取作 x 轴或 y 轴，所以下标1、2可以互换。4、5也可互换。第6章 压电式传感器 3.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（实线代表形变前的情况，（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）虚线代表形变后的情况）极化方向电场方向第6章 压电式传感器 如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大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（图中虚线）。如果外

25、加电场的方向与极化方向相反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。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，第6章 压电式传感器（1）（2）（3）制造工艺成熟（4）成形工艺性好（5）（6）还具有第6章 压电式传感器 6.1.5 压电式传感器压电式传感器 晶体的电介质在机械力或电场力作用下，会产 生极化现象，所以压电器件实际上是一个。1.压电式传感器特点压电式传感器特点 第6章 压电式传感器 2.压电元件结构形式压电元件结构形式 为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起型号的

26、压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种接法也有两种。（1）并联结构）并联结构（2）串联结构）串联结构 第6章 压电式传感器（1）并联结构）并联结构 (a)相同极性端粘结相同极性端粘结n 片并联时：片并联时：输出电容为：输出电容为：Ca=nC1输出电压为：输出电压为：Ua=U1极板上电荷为：极板上电荷为：qa=Ca Ua=nq1式中，n-片数C1、U1、q1-单片时的电容、电压、电荷量金属电极金属电极 两个压电片的负端粘结在一起两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法这是并联接法，类似两个电容的并联

27、。第6章 压电式传感器(b)不同极性端粘结不同极性端粘结（2）串联结构）串联结构 两压电片不同极性端粘结在一起两压电片不同极性端粘结在一起，从电路上看是串联串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同。n 片串联时：片串联时：输出电容为：输出电容为：Ca=C1/n输出电压为：输出电压为：Ua=nU1极板上电荷为：极板上电荷为：qa=Ca Ua=q1式中，n-片数C1、U1、q1-单片时的电容、电压、电荷量金属电极金属电极第6章 压电式传感器 并联接法输出电荷大，本身电容大，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜时间常数大，适宜用在用在并且并且的场合。的场合。

28、（3）两种接法的比较）两种接法的比较 串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于 第6章 压电式传感器 3.传感器的变形方式传感器的变形方式 (a)厚度变形(TE);(b)长度变形(LE)；(c)体积变形(VE)；(d)面切变形(FS)；(e)剪切变形(TS)压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。如图6-6所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式式 两种。两种。第6章 压电式传感器

29、 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。称预载。这除了消消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。第6章 压电式传感器 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 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 qq电极

30、压电晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路dAdACra0aaCqU 可把压电传感器看成一个静电发生器可把压电传感器看成一个静电发生器。也可把它视为也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器电容器。第6章 压电式传感器 等效为电压源，等效为电压源，Ua和一个电容器和一个电容器Ca的串联电路的串联电路。等效为一个电荷源，等效为一个电荷源，q和一个电容器和一个电容器Ca的并联电路。的并联电路。压电传感器等效电路压电传感器等效电路此等效电路及其输出，只有在压 电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路（即Ra=RL=）条件下才成立。第6章 压电式传感器 压电传感器的实际

31、等效电路压电传感器的实际等效电路 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻Ri,输入电容输入电容Ci以及压以及压电传感器的泄漏电阻电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图6-8所示。（a）电压源电压源（b）电荷源电荷源 第6章 压电式传感器 6.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要。其作用为：其作用为：（1）把压电式传感器的

32、高输出阻变换成低阻抗输出把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；（2）放大传感器输出的微弱信号。放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放前置放大器也有两种形式大器也有两种形式：电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 第6章 压电式传感器 1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)图图 6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图（a）放大器电路放大器电路 （b）等效电路等效电路R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Cc+Ci，ua=q/Ca。传感器传感

33、器电缆电缆放大器放大器第6章 压电式传感器 若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力 的作用，则其电压为的作用，则其电压为 tUtCFdCqUmamaasinsin11式中：Um压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；d压电系数。第6章 压电式传感器 由此可得放大器输入端电压放大器输入端电压Ui，其复数形式为.Ui的幅值的幅值Uim为为.22211)(1)(icamimCCCRRFdU输入电压和作用力之间相位差为)(arctan2)(RCCCica(6-8)(6-9)/ciacacRZUUZRZ111()iaj RUd Fj R CC第6章 压电式传感器 一般在一般在/03时，就可以认为表明前置

34、放大器输入电压时，就可以认为表明前置放大器输入电压Uim与频率与频率无关无关。RCCCica)(10压电器件与测量电路相联的动态特性曲线压电器件与测量电路相联的动态特性曲线0表示测量表示测量电路时间常数之倒数电路时间常数之倒数输入输入电压幅值电压幅值Uim为为 icamimCCCFdU11第6章 压电式传感器 结论：结论：（1）这表明压电传感器有很好的传感器有很好的高频高频响应响应，但是，但是，当作用于压电元件的力为静态力（=0）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态不能用于静态力的测量，力的测量，工作频率一般高于工作频率

35、一般高于100Hz。（2）当(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入否则将引入测量误差！测量误差！第6章 压电式传感器 2.电荷放大器电荷放大器 ，就是输出电压正比于输入电荷的一种放大器。由一个反馈就是输出电压正比于输入电荷的一种放大器。由一个反馈电容电容Cf和高增益运算放大器构成。和高增益运算放大器构成。放大器的反相输入端与传感器相连，其输出经电容Cf 反馈至输入端。电荷源

36、用电压源代替电荷源用电压源代替第6章 压电式传感器 fafaaafoCquCCuCjCju11 若放大器的Ad（开环放大倍数）很大，则反相输入端虚地点对地电位趋于零。由于放大的直流输入电阻很高，第6章 压电式传感器 若运算放大器输入阻抗极高，若运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，放大器输入端几乎没有分流，故可略去故可略去Ra和和Ri并联电阻并联电阻。电荷放大器的实际等效电路如图所示：电荷放大器的实际等效电路如图所示：第6章 压电式传感器 ficaoCACCCAqu)1(（6-12）通常通常A=104108，因此，当满足，因此，当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，式（时，式（6

37、-12）可表示为）可表示为 foCqu（6-13）由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：可求出电荷放大器的输出电压：显然可见，实际电荷放大器的输出电压，不仅和输入电荷显然可见，实际电荷放大器的输出电压，不仅和输入电荷q有关，而且和有关，而且和电路参数电路参数Cf、Ca、Cc、Ci，及信号频率，及信号频率f 、开环增益、开环增益A有关。有关。第6章 压电式传感器 总结总结:（1）电荷放大器的输出电压仅于输入电容量和反馈电容有关，若保持Cf数值不变，输出电压正比于输入电荷量输出电压正比于输入电荷量。（2）当当(1A)Cf10(CaCcCi)时，时，认为传感器的灵敏

38、度与电缆电容无关，更换电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度更换电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度。第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 选择运放：压电加速度的特性要求电荷放大器输入电阻应该无穷大，偏置电流无穷小。传感器输出的电荷信号比较微弱，需要运放具有宽频段，增益足够大。本设计选择ADI公司的AD8601芯片来设计电荷放大器。AD8601具有低偏置电流，低偏置电压，具有8 MHz的带宽，具有高增益特性。输入阻抗应大于1010，开环增益一般应达到90dB。反馈电容的选择：Cf决定了电荷转电压输出的大小以及电荷放大器的频率响应特性。电容性能的好坏直接决定着电荷

39、放大器是否稳定。本设计要求电容具有大的泄露电阻、吸附效应小、稳定性高等高性能。经过综合考虑，。同时，对于电荷放大器，电缆线要尽可能短，反馈电容尽可能大，减少干扰。一般选用的电容值的电容。反馈电阻的选择：。电荷放大器对直流的漂移很敏感。电荷放大器的下限截止频率 可知，在Cf一定情况下，要保证下限截止频率，反馈电阻Rf尽可能大。反馈电阻阻值一般选择的高精度电阻。电阻对输入端起保护作用。1/2LfffR C第6章 压电式传感器 6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 6.3.1 压电式测力传感器压电式测力传感器 图6-11 压力式单向测力传感器结构图 图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，

40、主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。第6章 压电式传感器（1）传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。（2）石英晶片采用，利用其，通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81mm。（4）力传感器装配时必须加较大的预紧力，以保证良好的线性度。（3）为了提高传感器的输出灵敏度，可以采用两片或多片晶片粘结在一起。第6章 压电式传感器 6.3.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图6-12 压电式加速度传感器结构图 压电式加速度传感器它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加

41、以固定。第6章 压电式传感器 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即 F=ma式中：F质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma q与加速度与加速度a成正比，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。成正比，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。第6章 压电式传感器 61006100系列压电加速度计系列压电加速度计 压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积压电加速度计是以压电晶体做敏感件。

42、体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。测量振动、冲击等信号。其外形见下图。其外形见下图。第6章 压电式传感器 6.3.3 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 图6-13是利用压电陶瓷传感器压电陶瓷传感器测量刀测量刀具切削力具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化特别适合测量变化剧烈的载荷剧烈的载荷。图中压电传感器位于车车刀刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力记录下电信号的变化便可测得切削力的变

43、化的变化。图6-13 压电式刀具切削力测量示意图 第6章 压电式传感器 6.3.4 压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击受撞击和破碎破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。及其它商品柜台保管等场合。第6章 压电式传感器 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100

44、 mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520 k。图6-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感器（a）外形;（b）内部电路 第6章 压电式传感器 报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。图6-15 压电式玻璃破碎报警器电路框图 第6章 压电式传感器 6.3.5 集成压电式传感器集

45、成压电式传感器 脉搏计照片 典型应用：典型应用：脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等 集成压电传感器是一种高性能、低成本动态微压传感器动态微压传感器，产品采用压采用压电薄膜作为换能材料电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。第6章 压电式传感器 6.3.6 高分子压电电缆用于测量汽车速度高分子压电电缆用于测量汽车速度 两根高分子压

46、电电缆相距S，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，如图所示。它可以用来及，并根据存储在计算机内部的档案数据，。现有一辆超重车辆以较快的车速压过测速传感器，两根现有一辆超重车辆以较快的车速压过测速传感器，两根PVDFPVDF压电电缆压电电缆的输出信号如图所示。的输出信号如图所示。第6章 压电式传感器 BAttSv)(前后ttvd再测量前后轮压过再测量前后轮压过A或或B电缆产生的脉冲间隔，电缆产生的脉冲间隔，就可以计算出就可以计算出前后轮的间距前后轮的间距d。前轮（后轮）压过前轮（后轮）压过A、B电缆，产生两个尖脉冲。电缆，产生两个尖脉冲。测得测得A、B脉冲的间隔就可以计算出车速脉冲的间隔就可以计

47、算出车速v。第6章 压电式传感器 6.3.7 压电式传感器测表面粗糙度压电式传感器测表面粗糙度压电式传感器在轮廓仪上应用的结构，如下图所示：传感器由驱动箱拖动使其触针在工件表面以恒速滑行，工件表面的起伏不平使触针上下运动，通过针杆使压电晶体随之变形，这样在压电晶体的表面就产生电荷，由引线输出与探针位移成正比的信号。第6章 压电式传感器 6.3.8 压电引信（引爆）压电引信（引爆）第6章 压电式传感器 早期的40火箭筒的原理图如图（b）所示。平时开路，当火箭筒撞击时，内、外电极相撞引爆。改进的压电引信原理图如图（c）所示。当火箭筒撞击时，压电晶体产生电荷，从而引爆，提高了引爆响应速度。第6章 压电式传感器 6.3.9 煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置 它是让高压放电来点燃煤气。当使用者将开关往里压时，把气阀打开，将开关旋转时，则使弹簧往左压。此时，弹簧有一很大的力量撞击压电晶体，则产生高压放电导致燃烧盘点火。第6章 压电式传感器