1、第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)二、壓電材料二、壓電材料三、壓電傳感器的測量電路三、壓電傳感器的測量電路四、壓電傳感器的應(yīng)用四、壓電傳感器的應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容：本章重點：本章重點：l 壓電效應(yīng)；壓電效應(yīng)；l 壓電傳感器的壓電傳感器的測量電路測量電路；l 壓電加速度傳感器的動態(tài)特性。壓電加速度傳感器的動態(tài)特性。1. 了解常用壓電材料的壓電效應(yīng)及特點；了解常用壓電材料的壓電效應(yīng)及特點；2. 掌握壓電式傳感器掌握壓電式傳感器測量電路測量電路的特點；的特點；3. 掌握壓電式加速度計的掌握壓電式加速度計的頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性?；疽螅夯疽螅簎是典型的是典型的有源

2、傳感器有源傳感器（發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器），以某些電），以某些電介質(zhì)的介質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 u壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，能測量最終能變換，能測量最終能變換為力的物理量，如為力的物理量，如力、壓力、加速度力、壓力、加速度等。等。 u響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕，在作可靠、重量輕，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測井、電聲學(xué)聲波測井、

3、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。等許多技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾儗ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部產(chǎn)生形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象，同時在它某兩個，同時在它某兩個表面表面上產(chǎn)上產(chǎn)生等量異種電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電生等量異種電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。狀態(tài)的現(xiàn)象。5-1 5-1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)z正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也會隨之改變。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也會隨之改變。電能電能機械能機械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在電介質(zhì)的當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向極化方向施加

4、電場，這些電介質(zhì)施加電場，這些電介質(zhì)就在就在一定方向一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當(dāng)外加上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。z逆壓電逆壓電（電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)）效應(yīng)效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)槌鲭妷旱念l率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。靜態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。 天然石英晶體的外形是天然石英晶體的外形是六角棱柱體六

5、角棱柱體，在晶體學(xué)，在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的軸來表示。中可用三根互相垂直的軸來表示。圖圖5-1 石英晶體石英晶體(a)理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系坐標(biāo)系ZXY(a)(b)ZYX一、石英晶體的壓電效應(yīng)一、石英晶體的壓電效應(yīng)u其中：縱向軸其中：縱向軸ZZ稱稱為為光軸光軸；經(jīng)過棱線，并；經(jīng)過棱線，并垂直于光軸的垂直于光軸的XX軸稱軸稱為為電軸電軸；與；與XX軸和軸和ZZ軸同時垂直的軸同時垂直的YY軸（垂直于棱面）稱為軸（垂直于棱面）稱為機械軸機械軸。u縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)沿電軸沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)；生電荷的壓電效應(yīng)；u橫向壓電效應(yīng)橫

6、向壓電效應(yīng)沿機械軸沿機械軸YY方向的力作用下方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)；產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)；u沿光軸沿光軸ZZ方向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。圖圖5-2 硅氧離子的排列示意圖硅氧離子的排列示意圖（a） 硅氧離子在硅氧離子在Z平面上的投影平面上的投影 （b）等效為正六邊形排列的投影）等效為正六邊形排列的投影(b)(a)+-YXXY+u石英晶體壓電效應(yīng)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定石英晶體壓電效應(yīng)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定 組成石英晶體的硅離子組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子和氧離子O2-在在Z平面投平面投影，如圖影，如圖(a)。將這些硅、氧離子等效為圖。將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊中

7、正六邊形排列，圖中形排列，圖中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 FX=0時，正、負(fù)離子（即時，正、負(fù)離子（即Si4+和和2O2-）正好分）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾角的電偶夾角的電偶極矩極矩P1、P2、P3，如圖示。此時正負(fù)電荷中心重合，如圖示。此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即電偶極矩的矢量和等于零，即0321PPP石英晶體受外力作用時晶格的變化情況石英晶體受外力作用時晶格的變化情況1、只受力、只受力FX作用作用圖圖5-2 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)Y+-X(a) FX=0P1P2P3 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體

8、受到沿X方向的壓力（方向的壓力（FX0）作用時，）作用時，沿沿X方向產(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變方向產(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（化，如圖（b）所示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，）所示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在電偶極矩在X方向的分量為方向的分量為FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（方向的拉力（FX0）作用時，）作用時，其變化情況如圖（其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為）。此時電極矩的三個分量為 即在即在X軸正向出現(xiàn)負(fù)電荷，軸正向出現(xiàn)負(fù)電荷，Y、Z方向不出現(xiàn)電荷。方向不出現(xiàn)電荷。

9、0)(0)(0)(321321321ZYXPPPPPPPPP 可見，當(dāng)晶體可見，當(dāng)晶體只受到只受到FX作用時，在作用時，在X方向產(chǎn)生了方向產(chǎn)生了正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)，即，即縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)，而，而Y、Z方向則不產(chǎn)方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。生壓電效應(yīng)。 晶體在晶體在只受只受FY作用下的情況與作用下的情況與只受只受FX相似。當(dāng)相似。當(dāng)FY0時，晶體的形變與圖（時，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)）相似；當(dāng)FY0時，時，則與圖（則與圖（c）相似。）相似。 可見，晶體在可見，晶體在只受只受FY作用下，在作用下，在X方向產(chǎn)生了方向產(chǎn)生了正正壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)，在，在Y、Z方向不產(chǎn)生

10、壓方向不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。電效應(yīng)。 2、只受力、只受力FY作用作用 石英晶體在只受石英晶體在只受FZ的作用下，因為晶體沿的作用下，因為晶體沿X方方向和沿向和沿Y方向所產(chǎn)生的方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變正應(yīng)變完全相同，所以，正、完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和仍等于零。負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和仍等于零。這表明：這表明：只受只受FZ作用時，石英晶體不產(chǎn)生作用時，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。3、只受力、只受力FZ作用作用 從石英晶體上切下一平行六面體，使它的晶面分從石英晶體上切下一平行六面體，使它的晶面分別平行于別平行于X、Y、Z軸，如圖。在垂直軸，如圖。在垂直X軸方向用真空軸

11、方向用真空鍍膜或沉銀法得到電極面，即為鍍膜或沉銀法得到電極面，即為晶片晶片。 當(dāng)晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X軸方向軸方向的壓縮應(yīng)力的壓縮應(yīng)力XX作用時，將作用時，將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度內(nèi)，極化強度PXX與應(yīng)力與應(yīng)力XX成正比成正比，即，即圖圖5-4 石英晶體切片石英晶體切片ZYXblt石英石英晶片晶片受外力作用時的變化情況受外力作用時的變化情況1、縱向壓電效應(yīng)、縱向壓電效應(yīng)式中式中 ： d11縱向壓電系數(shù)，縱向壓電系數(shù)，d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長度和寬度。石英晶片的長度和寬度。 式中

12、：式中：qX在垂直于在垂直于X軸平面上產(chǎn)生的電荷。軸平面上產(chǎn)生的電荷。lbqPXXX極化強度極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上電荷密度，即在數(shù)值上等于晶面上電荷密度，即 lbFddPXXXXX1111將上兩式整理，得將上兩式整理，得 XXXFdq11正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)XXXXXXCFdCqU11式中式中 電極面間電容。電極面間電容。 tlbCrX0該石英晶片極間電壓為該石英晶片極間電壓為u逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，晶體在，晶體在X軸方向產(chǎn)生伸縮，即軸方向產(chǎn)生伸縮，即或用應(yīng)變表示，則或用應(yīng)變表示，則XXXEdtUdtt1111式中式中 EXX軸方向上的電場強度。軸方向上的電場強度。 XUdt11逆壓

13、電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)FXFX+ + + + + +(a)(b)XX 在在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正軸正向帶正電；如果作用力向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖( (a) )、( (b) )。 圖圖5-5 晶片上電荷極性與受力方向關(guān)系晶片上電荷極性與受力方向關(guān)系 如果作用力沿著如果作用力沿著Y軸方向，其電荷仍在與軸方向，其電荷仍在與X軸垂軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（）、（d），此時電，此時電荷的大小為荷的大小

14、為 + + + + + + (c)(d)FYFYXXYYXYFtldFtblbdq1212式中式中 d12石英晶體在石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù)。軸方向受力時的壓電系數(shù)。 圖圖5-5 晶片上電荷極性與受力方向關(guān)系晶片上電荷極性與受力方向關(guān)系2、橫向壓電效應(yīng)、橫向壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)根據(jù)石英晶體軸對稱條件：根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=d12，則上式為，則上式為YXYFtldq11XYXXYXCFtldCqU11則其極間電壓為則其極間電壓為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，晶片在，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即XUtldl11或用應(yīng)變表示或用應(yīng)變表示XYEdll11

15、逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)由上述可知：由上述可知： 無論是無論是正正或或逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，其，其作用力（或應(yīng)變）作用力（或應(yīng)變）與與電荷（或電場強度）電荷（或電場強度）之間呈之間呈線性關(guān)系線性關(guān)系； 晶體在哪個方向上有晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)，則在此方，則在此方向上一定存在向上一定存在逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)的。的。 65432111141411116543212625141211000000200000000000000000000ddddddddddPPPzyx二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

16、直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前極化處理前(b)極化處理中極化處理中(c)極化處理后極化處理后 屬于鐵電體，是多晶壓電材料，具有類似鐵磁材屬于鐵電體，是多晶壓電材料，具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)電疇結(jié)構(gòu)。電疇電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，是分子自發(fā)形成的區(qū)域，有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此壓電陶瓷內(nèi)效應(yīng)被相互抵消，因此壓電陶瓷內(nèi)初始初始極化強度為零，極化強度為零，見圖見圖（a）。

17、 圖圖5-6 壓電陶瓷中的電疇變化示意圖壓電陶瓷中的電疇變化示意圖電壓表無法測出陶瓷片內(nèi)部極化強度的電壓表無法測出陶瓷片內(nèi)部極化強度的原因原因圖圖5-7 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖 陶瓷片內(nèi)極化強度總是以陶瓷片內(nèi)極化強度總是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出的形式表現(xiàn)出來，即在一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電來，即在一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶

18、瓷片內(nèi)的束縛電荷內(nèi)的束縛電荷符號相反且數(shù)量相等符號相反且數(shù)量相等，起著，起著屏蔽屏蔽和和抵消抵消片內(nèi)極化強度對外界的作用。片內(nèi)極化強度對外界的作用。 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極極化方向 如果在陶瓷片上加與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加與極化方向平行的壓力F，陶瓷，陶瓷片產(chǎn)生壓縮形變，片內(nèi)正、負(fù)束縛電荷之間的距離變片產(chǎn)生壓縮形變，片內(nèi)正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原吸附在電極上的自由小，極化強度也變小。因此，原吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放而出現(xiàn)電荷，有一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀后，陶瓷片恢復(fù)原

19、狀( (這是一個膨脹過程這是一個膨脹過程) )，片內(nèi)的正、，片內(nèi)的正、負(fù)電荷間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上負(fù)電荷間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 極化方向極化方向F機械能機械能（機械效應(yīng)（機械效應(yīng)）電能電能（電效應(yīng)）（電效應(yīng)）正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)圖圖5-8 正壓電效應(yīng)示意圖正壓電效應(yīng)示意圖 若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，電場的作用可使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的電場的作用可使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束

20、縛電荷之間距離也增大，陶瓷片沿極化方向正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生產(chǎn)生伸長形變伸長形變。同理，如果外加電場的方向與極化。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變縮短形變。 實線代表形變前的情實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況，虛線代表形變后的情況。況。 極化方向電場方向電場方向2、逆壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)圖圖5-9 逆壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)示意圖 壓電陶瓷所以具有壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)，是由于內(nèi)部存在，是由于內(nèi)部存在自發(fā)極化自發(fā)極化。這些。這些自發(fā)極化自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取經(jīng)過極化工序

21、處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度剩余極化強度。如果外界的。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 陶瓷內(nèi)的極化電荷是陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷束縛電荷，不是，不是自由電自由電荷荷，這些，這些束縛電荷束縛電荷不能自由移動。所以陶瓷中產(chǎn)生不能自由移動。所以陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過內(nèi)部極化強度的變化，的放電或充電現(xiàn)象，是通過內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷引起電極面上自由電荷釋放釋放或或補充補充的結(jié)果。的結(jié)果。注意：注意：5-2 5-2

22、壓電材料壓電材料種類種類：u壓電晶體，如壓電晶體，如石英石英等；等；u壓電陶瓷，如壓電陶瓷，如鈦酸鋇鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛等；等；u壓電半導(dǎo)體，如壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅硫化鋅、碲化鎘碲化鎘等。等。對對壓電材料壓電材料特性要求特性要求 轉(zhuǎn)換性能轉(zhuǎn)換性能 要求具有較大壓電常數(shù)。要求具有較大壓電常數(shù)。 機械性能機械性能 作為受力元件，希望機械強度高、作為受力元件，希望機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。率。 電性能電性能 希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。減弱

23、外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強環(huán)境適應(yīng)性強 溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的求具有較高的居里點居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性 要求壓電性能不隨時間變化。要求壓電性能不隨時間變化。 一、石英晶體一、石英晶體（SiOSiO2 2） 具有良好壓電特性的具有良好壓電特性的壓電單晶壓電單晶。其介電常數(shù)和壓。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化，如下圖。溫度變化，如下圖。dt/d201 . 000 . 990 . 980 . 9

24、70 . 960 . 952040 60 80 100 120140 160180 200斜率：0.016/t圖圖5-10 石英的石英的d11系數(shù)系數(shù)相對于相對于20的的d11溫度變化特性溫度變化特性6543210100 200 300400 500 600t/相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)居里點居里點圖圖5-11 石英在高溫下石英在高溫下相對介相對介電常數(shù)電常數(shù)的溫度特性的溫度特性 可見，在可見，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少壓電系數(shù)僅減少0.016。到。到573時，完全失去壓電時，完全失去壓電特性，這就是它的特性，這就是它的居里點居里點。 突出優(yōu)點是突出優(yōu)點是

25、性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當(dāng)好性能也相當(dāng)好。但價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶。但價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的或要求較高的傳感器中。傳感器中。v石英晶體的特點石英晶體的特點 石英是一種石英是一種各向異性各向異性晶體，因此，按不同方向晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性度特性等）相差很大。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同使用等）相差很大。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇切型。要求正確地選擇切型。v石英晶片的切型

26、石英晶片的切型v切型符號表示方法切型符號表示方法uIRE（無線電工程師學(xué)會無線電工程師學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號表標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號表示法示法u習(xí)慣符號表示法習(xí)慣符號表示法 uIRE表示法表示法 IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號包括一組標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號包括一組字母字母（X、Y、Z、t、l、b）和和角度角度。用。用X、Y、Z中任意兩個字母中任意兩個字母的的先后排列順序先后排列順序，表示石英晶片厚度和長度的，表示石英晶片厚度和長度的原始原始方向方向；用字母；用字母t（厚度）、（厚度）、l（長度）、（長度）、b（寬度）表（寬度）表示旋轉(zhuǎn)軸的位置。當(dāng)角度為正時示旋轉(zhuǎn)軸的位置。當(dāng)角度為正時, ,表示逆時針旋轉(zhuǎn)；

27、表示逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)角度為負(fù)時當(dāng)角度為負(fù)時, ,表示順時針旋轉(zhuǎn)。表示順時針旋轉(zhuǎn)。例如：例如：( (YXl) )35 切型，其中第一個字母切型，其中第一個字母Y表示石英晶表示石英晶片在原始位置片在原始位置( (即旋轉(zhuǎn)前的位置即旋轉(zhuǎn)前的位置) )時的厚度時的厚度沿沿Y軸方向，軸方向，第二個字母第二個字母X表示石英晶片在原始位置時的長度沿表示石英晶片在原始位置時的長度沿X軸方向，第三個字母軸方向，第三個字母l和角度和角度35表示石英晶片繞長度表示石英晶片繞長度逆時針旋轉(zhuǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)35，如圖。，如圖。ZZOOYYZXX35(a)(b)圖圖5-12 （YXl）35切型切型（a）石英晶片原始位置）石英晶片原

28、始位置（b）石英晶片的切割方位）石英晶片的切割方位Y又如又如（XYtl）5 /- -50 切型，它表示石英晶片原始位切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿置的厚度沿X軸方向，長度沿軸方向，長度沿Y軸方向，先繞厚度軸方向，先繞厚度t逆時針旋轉(zhuǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)5 ，再繞長度，再繞長度l順時針旋轉(zhuǎn)順時針旋轉(zhuǎn)50 ，如圖。，如圖。OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片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 圖圖5-13 (XYtl)5/-50切型切型u習(xí)慣符號表示法習(xí)慣符號表示法 習(xí)慣符號表示法是石英晶體習(xí)慣符號表示法是石英晶體特有特有的表示法，它的表示法，它由兩個大寫的英文字母

29、組成。例如，由兩個大寫的英文字母組成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和和FC等，見表等，見表5-15-1。二、二、 壓電陶瓷壓電陶瓷（一）（一）鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇是由碳酸鋇（BaCO3）和二和二氧化鈦氧化鈦（TiO2）按按1：1克分子比例在高溫下合成的克分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。壓電陶瓷。 具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的石英晶體的50倍）。倍）。 不足之處是不足之處是居里溫度低居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。和機械強度不如石英晶體。

30、（二）（二） 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb(Zr、Ti) )O3。 與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。性好。 此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目

31、前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 （三）壓電聚合物（三）壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強的強的聚合物薄膜聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可。經(jīng)延展和拉伸后可以使以使分子鏈軸分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓。

32、當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料制成混合復(fù)合材料( (PVF2PZT) )。 （四）壓電半導(dǎo)體材料（四）壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用具有靈敏度高，響

33、應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。參數(shù)。5-3 5-3 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 圖圖5-14 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 qq電極壓電晶體Ca(b)(a)tStSCra0兩極板間的電壓為兩極板間的電壓為aaCqU一、等效電路一、等效電路 可把壓電傳感器看成一個可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a) )。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的的電容器電容器，如圖，如圖( (b) )。其電容

34、量為。其電容量為 因此，壓電傳感器可等效為電壓源因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電和一個電容器容器Ca的的串聯(lián)串聯(lián)電路，如圖電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷；也可等效為一個電荷源源q和一個電容器和一個電容器Ca的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖(b)。 （a）電壓等效電路）電壓等效電路 （b）電荷等效電路）電荷等效電路圖圖5-15 壓電傳感器等效原理壓電傳感器等效原理qCaUaUaq/ Caq UaCaCa壓電晶體壓電晶體的適用范圍的適用范圍 傳感器內(nèi)部信號電荷無傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損漏損”，外電路負(fù)載無，外電路負(fù)載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長窮大時，壓電傳感

35、器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律放電。放電。這對于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測量極為不利，必然這對于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外帶來誤差。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷電路負(fù)載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體體不適合于靜態(tài)測量不適合于靜態(tài)測量。 如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接，則應(yīng)如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量

36、儀器連接，則應(yīng)考慮連接導(dǎo)線的等效電容、電阻，前置放大器的輸考慮連接導(dǎo)線的等效電容、電阻，前置放大器的輸入電阻、輸入電容。入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiqCa傳感器的固有電容；傳感器的固有電容；Ci 前置放大器輸入電容；前置放大器輸入電容； Cc 連線電容；連線電容；Ra 傳感器的漏電阻；傳感器的漏電阻；Ri 前置放大器輸入電阻。前置放大器輸入電阻。壓電傳感器的完整等效電路壓電傳感器的完整等效電路圖圖5-16 壓電傳感器的完整等效電路壓電傳感器的完整等效電路 壓電傳感器的絕緣電阻壓電傳感器的絕緣電阻Ra與放大器輸入電阻與放大器輸入電阻Ri相相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)并

37、聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求：靜態(tài)響應(yīng)，要求：對測試系統(tǒng)的對測試系統(tǒng)的參數(shù)要求參數(shù)要求p傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013以上，才能使內(nèi)部以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。p測試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時間常數(shù)，亦即前置放大器測試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，產(chǎn)生測量誤差。通過輸入電路泄漏，產(chǎn)生測量誤差。 二、二、 測量電路測量電路壓電式傳感器前置放大器的作用壓電式傳感器前置放大器的作用p

38、把壓電式傳感器的把壓電式傳感器的高輸出高輸出阻抗變換阻抗變換成低阻抗成低阻抗輸出；輸出；p放大放大壓電式傳感器輸出的壓電式傳感器輸出的微弱信號。微弱信號。前置放大器形式前置放大器形式u電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；輸出電壓）成正比；u電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。1 1、電壓放大器、電壓放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua圖圖（b）中中圖圖5-17 壓電傳感器連接電壓放大器等效電路壓電傳感器連接電壓放大器等效電路iaiaRRRRRic

39、CCC而而aaCqUtFFmsin壓電元件所受作用力壓電元件所受作用力 若壓電材料是壓電陶瓷，壓電系數(shù)為若壓電材料是壓電陶瓷，壓電系數(shù)為d33，則在，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為 amamCFdCqU33tUUmasinaiCCRjRjFdU133由圖由圖(b)可得放大器輸入端的電壓可得放大器輸入端的電壓Ui為為222331icamimCCCRRFdU的幅值的幅值Uim為為icaCCCRarctan220331RFdUmim輸入電壓與作用力之間的相位差輸入電壓與作用力之間的相位差為為=R(Ca+Cc+Ci)，為測量回路的時間常數(shù)，并令，為測量回路的時

40、間常數(shù)，并令0=1/，則可得，則可得iUp一般一般/03，即可近似認(rèn)為輸入電壓與頻率無關(guān)。，即可近似認(rèn)為輸入電壓與頻率無關(guān)。說明，在時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有說明，在時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性高頻響應(yīng)特性。 0|G(j)|(a) 幅頻特性曲線幅頻特性曲線00(b) 相頻特性曲線相頻特性曲線)(90450圖圖5-18 壓電傳感器連接電壓放大器動態(tài)特性壓電傳感器連接電壓放大器動態(tài)特性icammimCCCFdRFdU3320331如果如果/01傳感器電壓靈敏度傳感器電壓靈敏度Ku為為22331icamimuCCCRdFUKicauCCCdK33因為

41、因為R1，故，故pRi越大，時間常數(shù)越大，則低頻響應(yīng)也越好。越大，時間常數(shù)越大，則低頻響應(yīng)也越好。pKu受電纜分布電容的影響較大，改變電纜長度受電纜分布電容的影響較大，改變電纜長度Cc將改變，須將改變，須重新校正靈敏度值重新校正靈敏度值。uKCR10改善低頻響應(yīng)qA0CaUUSCiRaCFRF2 2、電荷放大器、電荷放大器圖圖5-19 電荷放大器原理電路圖電荷放大器原理電路圖FFSCRCjUUi1FFRCjUAU10FFRACAjU11100 是一個具有是一個具有深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋的的高增益高增益放大器。若開放大器。若開環(huán)增益環(huán)增益A0足夠大，并且輸入阻抗很高，則放大器輸足夠大，并且輸入阻抗

42、很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，電流僅流入反饋回路入端幾乎沒有分流，電流僅流入反饋回路CF與與RF。由圖可知由圖可知i的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： 等效電路圖等效電路圖A0CaRaRCUSCUqpCF、RF等效到等效到A0的輸入端，的輸入端，CF增大增大( (1A0) )倍，電導(dǎo)倍，電導(dǎo)1RF也增大也增大( (1A0) )倍。所以倍。所以C=( (1A0) )CF；1/ /R=( (1A0) )/RF，這是所謂，這是所謂“密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)”的結(jié)果。的結(jié)果。圖圖5-20 電荷放大器等效電路圖電荷放大器等效電路圖FaFaSCCACjRARAqjUAU00001111輸出電壓輸出電壓FaFaCACjR

43、ARqjU001111運放輸入電壓運放輸入電壓若考慮電纜電容若考慮電纜電容Cc，則有，則有FcaFaSCCACCjRARAqjU0001111p當(dāng)當(dāng)A0足夠大時，傳感器電容和電纜長短將不影響電足夠大時，傳感器電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于電荷荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于電荷q及反饋回及反饋回路參數(shù)路參數(shù)CF和和RF。FFSCCqCAqAU001又由于又由于1RFCF，則，則p可見：可見：當(dāng)當(dāng)A0足夠大時，輸出電壓與足夠大時，輸出電壓與A0無關(guān)，只取決無關(guān)，只取決于輸入電荷于輸入電荷q和反饋電容和反饋電容CF，改變，改變CF便可得到所需的便可得到所需的電壓輸出。電壓

44、輸出。 CF一般取值一般取值100104pF。 運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A0對精度有影響，對精度有影響，當(dāng)頻率很高時，則當(dāng)頻率很高時，則FcaSCCACCqAU001FSCCqUFcaSCSCSCCACCUUU01則可計算產(chǎn)生的誤差為則可計算產(chǎn)生的誤差為及及高頻響應(yīng)特性高頻響應(yīng)特性100110100001.004A 由此得由此得A0105。對線性集成運算放大器來說，這。對線性集成運算放大器來說，這一要求是不難達(dá)到的。一要求是不難達(dá)到的。 例例: :Ca=1000pF, ,CF=100pF, ,Cc=( (100pF/m) )100m=105pF, ,當(dāng)要求當(dāng)要求1%時，

45、則有時，則有 當(dāng)當(dāng)很低時，分母中電導(dǎo)很低時，分母中電導(dǎo)1/Ra+(1+A0)/RF與電納與電納jCaCc(1+A0)CF的值相當(dāng)，電導(dǎo)不可忽略。若的值相當(dāng)，電導(dǎo)不可忽略。若A0足夠大，則足夠大，則FFFFFSCRCjCqCAjRAAqjU111111000FFSCCRqU221/其幅值為其幅值為低頻響應(yīng)特性低頻響應(yīng)特性當(dāng)當(dāng)1/ RF = CF時時)2/(FSCCqUFFLCRf21 可見這是截止頻率點的輸出電壓，可見這是截止頻率點的輸出電壓，- -3dB時對應(yīng)時對應(yīng)的下限截止頻率為的下限截止頻率為 USC與與q間的相位誤差間的相位誤差FFCR1arctan90 壓電式傳感器配用電荷放大器時壓電

46、式傳感器配用電荷放大器時, ,其低頻幅值其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)RF和和CF。CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定，所以的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定，所以當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率fL時時, , RF值也可確定。值也可確定。如當(dāng)如當(dāng)CF=1000pF，fL=0.16Hz時時, ,則則RF109。 可見可見 高頻上限決定于壓電元件的高頻上限決定于壓電元件的Ca和電纜的和電纜的Cc與與Rc。這些。這些值通常很小，故值通常很小，故f fH H 可高達(dá)可高達(dá)180KHz。)(21accHCCRf 電荷放大器

47、較之電壓放大器的優(yōu)點是輸出不電荷放大器較之電壓放大器的優(yōu)點是輸出不受電纜分布電容受電纜分布電容Cc的影響的影響，低頻特性好，低頻特性好；缺點是；缺點是線線路復(fù)雜，調(diào)整困難，成本較高路復(fù)雜，調(diào)整困難，成本較高。一、壓電式加速度傳感器一、壓電式加速度傳感器二、壓電式壓力傳感器二、壓電式壓力傳感器三、壓電式流量計三、壓電式流量計四、集成壓電式傳感器四、集成壓電式傳感器五、壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用五、壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用5-45-4、壓電式傳感器的應(yīng)用、壓電式傳感器的應(yīng)用一、一、 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 當(dāng)傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)當(dāng)傳感器感受振

48、動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力并受到與加速度方向相反的慣性力Fma。慣性力作。慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運運動動方方向向21345圖圖5-21 縱向效應(yīng)型加速度縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖傳感器的截面圖（一）結(jié)構(gòu)原理（一）結(jié)構(gòu)原理 一般有一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型型和剪切效應(yīng)型三種，三種，縱向效應(yīng)型縱向效應(yīng)型最常見。最常見。 壓電陶瓷壓電陶瓷4和質(zhì)量塊和質(zhì)量塊2為環(huán)型，為環(huán)型，通過螺母通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)

49、先加載，使對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座感器基座5與被測對象牢牢緊固在與被測對象牢牢緊固在一起。輸出信號由電極一起。輸出信號由電極1引出。引出。p此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。 為了提高靈敏度，要求選擇壓電系數(shù)大的壓電陶為了提高靈敏度，要求選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不

50、用增加質(zhì)量辦法不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。來提高傳感器靈敏度。 用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。高傳感器靈敏度。 v提高傳感器靈敏度的辦法提高傳感器靈敏度的辦法qd33Fd33ma 圖圖(a)為并聯(lián)形式，片上的為并聯(lián)形式，片上的負(fù)極負(fù)極集中在中間極上，集中在中間極上，其輸出電容其輸出電容C為單片電容為單片電容C的兩倍，但輸出電壓的兩倍，但輸出電壓U等等于單片電壓于單片電壓U，極板上電荷量，極板上電荷量q為單片電荷量為單片電荷量q的兩倍，的兩倍，即即連接方式：連接方式：CCUUqq22；+(a)并聯(lián)并聯(lián)(b)串聯(lián)串聯(lián)+圖

51、圖5-22 疊層式壓電元件疊層式壓電元件CCUUqq212；l并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。并且適用于以電荷作為輸出量的場合。l串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。+(b)串聯(lián)串聯(lián)+ 圖圖( (b) )為串聯(lián)形式，為串聯(lián)形式，正電荷正電荷集中在上極板，集中在上極板，負(fù)電荷負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片集中在下極板，而中間

52、的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單等于單片電荷片電荷q，而輸出電壓，而輸出電壓U為單片電壓為單片電壓U的的2倍，總倍，總電容電容C為單片電容為單片電容C的一半，即的一半，即（二）動態(tài)響應(yīng)（二）動態(tài)響應(yīng) 壓電式加速度傳感器可用質(zhì)量壓電式加速度傳感器可用質(zhì)量m，彈簧，彈簧k、阻尼、阻尼c的二階系統(tǒng)來模擬，如圖示。的二階系統(tǒng)來模擬，如圖示。 設(shè)被測振動體位移設(shè)被測振動體位移x0，質(zhì)，質(zhì)量塊相對位移量塊相對位移xm，則質(zhì)量塊與，則質(zhì)量塊與被測振動體的相對位移為被測振動體的相對位移為xi，即，即mx00ax0 x

53、xxmi根據(jù)牛頓第二定律有根據(jù)牛頓第二定律有iimkxdtdxcdtxdm22圖圖5-23 二階模擬系統(tǒng)二階模擬系統(tǒng))()(0022xxkdtxxdcdtxdmmmm20200202)()()(dtxdxxmkdtxxdmcdtxxdmmm輸入為加速度輸入為加速度 ，輸出為，輸出為 2020dtxda )(0 xxm020200021)1 ()(jjaxxm0固有頻率，固有頻率，mk0mkc2相對相對阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)，幅頻特性為幅頻特性為20220200021)1()(jaxxm相頻特性為相頻特性為18012arctan)(200 由于質(zhì)量塊與被測振動體相對位移由于質(zhì)量塊與被測振動體相對位移

54、xm-x0，也就是，也就是壓電元件受力后產(chǎn)生的變形量，于是壓電元件受力后產(chǎn)生的變形量，于是0 xxkFmy式中式中 ky壓電元件彈性系數(shù)。壓電元件彈性系數(shù)。03333xxkdFdqmy則壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系為則壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系為20220233210ykdaqp由頻率響應(yīng)特性曲線看出，當(dāng)被測體振動頻率由頻率響應(yīng)特性曲線看出，當(dāng)被測體振動頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳感器固有頻率小于傳感器固有頻率0時，傳感器的相對靈敏度為時，傳感器的相對靈敏度為常數(shù)，即常數(shù)，即2033ykdaq 圖圖5-24 加速度傳感器的頻響特性加速度傳感器的頻響特性 由于傳感器固有頻率很高，因此由于傳感

55、器固有頻率很高，因此測量頻率范圍測量頻率范圍較較寬，一般在幾寬，一般在幾Hz到幾千到幾千Hz。但是傳感器低頻響應(yīng)與前。但是傳感器低頻響應(yīng)與前置放大器有關(guān)，若采用電壓放大器，低頻響應(yīng)將取決置放大器有關(guān)，若采用電壓放大器，低頻響應(yīng)將取決于變換電路的時間常數(shù)于變換電路的時間常數(shù)；前置放大器輸入電阻越大，；前置放大器輸入電阻越大，則傳感器下限頻率越低。則傳感器下限頻率越低。二、二、 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它根據(jù)使用要求不同，有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器由壓電式測壓傳感器由引線引線1、殼體、殼體2、

56、基座、基座3、壓電、壓電晶片晶片4、受壓膜片、受壓膜片5及導(dǎo)電片及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)組成。當(dāng)膜片膜片5受到壓力受到壓力P作用后，在一片壓電元件上產(chǎn)生的電荷作用后，在一片壓電元件上產(chǎn)生的電荷q為為 SPdFdq1111P壓強，壓強， ；S膜片的有效面積。膜片的有效面積。SFP 123456p圖圖5-25 壓電式測壓傳感器原理圖壓電式測壓傳感器原理圖因為因為 ，所以也可表示為，所以也可表示為 U0壓電片輸出電壓；壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容壓電片等效電容 如果傳感器只有一片壓電晶片，則根據(jù)靈敏度的定如果傳感器只有一片壓電晶片，則根據(jù)靈敏度的定義有：義有： SdPqkq11PUku000CqU

57、011CSdku電壓靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度三、三、 壓電式流量計壓電式流量計 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射圖圖5-26 壓電式流量計壓電式流量計 此流量計可測各種液此流量計可測各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可，有的可達(dá)到達(dá)到0.01%。可根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度可根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況的變化，測量聲速隨深度的分布情況 利用超

58、聲波在順流、逆流方向傳播速度不同進(jìn)行測利用超聲波在順流、逆流方向傳播速度不同進(jìn)行測量。在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲量。在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間換能器，每隔一段時間( (如如1/ /100s) )，發(fā)射和接收互換一，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比，據(jù)此可精確測定流速。流速與管道橫截面積速成正比，據(jù)此可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。的乘積等于流量。 F1發(fā)射的超聲波先到達(dá)發(fā)射的超聲波先到達(dá) T1p時間差法時間差法測量流量原理：測量流量原理： 在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（）、（F2，T2），），其中其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差度的不同，