傳感器與檢測(cè)技術(shù)第六章壓電傳感器第1頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第六章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應(yīng)第二節(jié)石英晶體的壓電效應(yīng)第三節(jié)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第四節(jié)壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式第五節(jié)等效電路與測(cè)量電路第六節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用舉例第七節(jié)壓電式傳感器的誤差第2頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)壓電傳感器的工作原理當(dāng)某些物質(zhì)沿某一方向施加壓力或拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，此時(shí)這種材料的兩個(gè)表面將產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)后，該物質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。也稱為“電致伸縮效應(yīng)”一、壓電效應(yīng)第3頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓電常數(shù)和表面電荷密度的計(jì)算q為壓電元件表面的電荷密度（極化強(qiáng)度），單位：C/cm2；Q為電荷量，S為受作用力的表面的面積。

d為壓電常數(shù)，即晶體承受單位作用力時(shí)所產(chǎn)生的電荷量，單位：C/N；當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，d也不同。

i=1、2、3——為電荷平面法線方向，即x、y、z軸向；j=1、2、3、4、5、6——表示作用力的方向；σ為作用面上的應(yīng)力，單位：N/cm2；

F為作用力；

S為受作用力的表面的面積。第4頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、壓電元件的坐標(biāo)系表示法第5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各平面的電荷密度：第6頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓電系數(shù)矩陣：石英晶體的壓電系數(shù)矩陣：第7頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其它壓電常數(shù)：

3.機(jī)電耦合系數(shù)K1.壓電常數(shù)g2.壓電常數(shù)h第8頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、石英晶體的壓電效應(yīng)1.石英晶體第9頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.壓電效應(yīng)（1）縱向壓電效應(yīng)在電軸方向施加作用力時(shí)，在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷。電荷密度：第10頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）橫向壓電效應(yīng)在機(jī)械（Y）軸向力作用下，引起的壓電效應(yīng)。因?yàn)殡姾擅芏龋O化強(qiáng)度）

所以第11頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4DABC（a）硅原子帶有4個(gè)正電荷，氧原子帶有2個(gè)負(fù)電荷，正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象。圖6-3石英晶體壓電效應(yīng)

35261412354612635AB第12頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.特點(diǎn)： 石英晶體是一種天然晶體，它的壓電系數(shù)為d11=2.31×10-12C/N。莫氏硬度為7，熔點(diǎn)為1750℃，膨脹系數(shù)僅為鋼的1/130。 作為常用的壓電傳感器具有轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550℃（壓電系數(shù)不隨溫度而該改變）、工作濕度高達(dá)100%等優(yōu)點(diǎn)，它的穩(wěn)定性是其他壓電材料無(wú)法比擬的。

第13頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)1.壓電陶瓷的極化特性第14頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第15頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.壓電陶瓷的特點(diǎn)

壓電系數(shù)大，靈敏度高，成本低。缺點(diǎn)：居里點(diǎn)低，溫度穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。

第16頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壓電系數(shù)d：表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。一般為單位作用力下產(chǎn)生電荷的多少（單位：C/N）。剛度H：

是壓電材料的固有頻率的重要參數(shù)。介電常數(shù)：是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，固有電容將影響傳感器工作頻率的下限值。電阻R：是壓電晶體的內(nèi)阻，其大小決定泄漏電流。居里點(diǎn)：即壓電效應(yīng)消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。五、壓電材料的主要特性指標(biāo)

第17頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用壓電材料的性能參數(shù)：第18頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)等效電路與測(cè)量電路一、等效電路

兩極板間的電壓為

只有在外電路負(fù)載RL無(wú)窮大，內(nèi)部也無(wú)漏電時(shí)，受力所產(chǎn)生的電壓U才能長(zhǎng)期保存下來(lái)，如果負(fù)載RL不是無(wú)窮大，則電路就要以時(shí)間常數(shù)RLCa按指數(shù)規(guī)律放電。

第19頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①當(dāng)需要壓電元件輸出電荷時(shí)，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相并聯(lián)的電荷等效電路。在開(kāi)路狀態(tài)，其輸出端電荷為：

②當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時(shí)，可以把壓電元件等效為一個(gè)電壓源與一個(gè)電容相串聯(lián)的電壓等效電路。在開(kāi)路狀態(tài)，其輸出端電壓為：

第20頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)等效電路與測(cè)量電路1、壓電傳感器等效電路第21頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、壓電式傳感器測(cè)試系統(tǒng)等效電路壓電元件的輸出信號(hào)非常微弱，一般要把其輸出信號(hào)通過(guò)電纜送入前置放大器放大，這樣在等效電路中就必須考慮前置放大器的輸入電阻、輸入電容、電纜電容以及傳感器的泄漏電阻（絕緣電阻）。

第22頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、壓電元件的聯(lián)結(jié)方式

在壓電傳感器中，壓電材料一般不用一片，而常常采用兩片（或是兩片以上）黏結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。

1.串聯(lián)2.并聯(lián)

第23頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.串聯(lián)：此時(shí)兩壓電片電荷極性為正、負(fù)串聯(lián)輸出。其輸出電容為單片電容的一半，輸出總電荷等于單片電荷，但輸出電壓為單片電壓U的2倍。

第24頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.并聯(lián)：此時(shí)兩壓電片電荷同極性端并聯(lián)。其輸出電容為單片電容的2倍，但輸出電壓等于單片電壓U，極板上電荷量為單片電荷量的2倍。第25頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、測(cè)量電路

通常將壓電傳感器的輸出信號(hào)輸入到測(cè)量電路的高輸入阻抗的前置放大器中來(lái)變成低阻抗輸出信號(hào)，然后再送到測(cè)量電路的放大、檢波、數(shù)據(jù)處理電路或顯示設(shè)備。由此看來(lái)，壓電傳感器的測(cè)量電路中的關(guān)鍵部分在前置放大器。

前置放大器的兩個(gè)作用： 1.是放大，把壓電傳感器的微弱信號(hào)放大； 2.是阻抗變換，那傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。

第26頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月前置放大器有兩種形式，一種是電壓放大器；另一種是電荷放大器。1.電壓放大器要求：（1）很高的輸入阻抗（>1011MΩ，這樣才能減小由于漏電造成的電壓、電荷的損失，不致引起過(guò)大的測(cè)量誤差）；（2）很低的輸出阻抗（小于100Ω，帶負(fù)載能力強(qiáng)）；（3）Au0很大。

第27頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、測(cè)量電路1.電壓放大器（阻抗放大器）R和C分別表示前置放大器的等效輸入端電阻和等效輸入端電容

式中Ra代表測(cè)量電路的漏電阻，Ri代表放大器輸入端電阻；式中CC代表測(cè)量電路聯(lián)線分布電容（電纜電容），Ci代表放大器入端電容。

第28頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月則等效電壓源的端電壓為假設(shè)給石英晶體壓電元件沿著電軸作用的軸向力為F=Fmsinωt，其壓電系數(shù)為d11，即壓電效應(yīng)為Qa=d11·F=d11Fmsinωt第29頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月與作用力之間的相位差為當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力，即時(shí)，前置放大器的輸入電壓等于零，這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。

的幅值為

第30頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月令測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)為

一般ωτ＞3，上式即可成立，此時(shí)說(shuō)明電壓輸出型測(cè)量電路中的Ui與作用力f的變化頻率ω?zé)o關(guān)，即這種測(cè)量電路具有很好高頻響應(yīng)特性，這是其主要優(yōu)點(diǎn)。此時(shí)傳感器電壓靈敏度為

當(dāng)ωτ＞＞1時(shí)第31頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)部裝有超小型阻抗變換器的壓電式加速度傳感器

將一種電壓放大器（阻抗變換器）直接裝進(jìn)傳感器內(nèi)部，使其一體化。由于該阻抗變換器充分靠近壓電元件，引線非常短，引線電容幾乎為0，這就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。

第32頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.電荷放大器當(dāng)開(kāi)環(huán)增益A和輸入電阻Ri、反饋電阻Rf相當(dāng)大并視為開(kāi)路時(shí)，放大器的輸出電壓正比于輸入電荷Q。第34頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于

所以一般A都很大，則Cf（1+A）>>（Ca+Cc+Cf）

于是采用可變電容Cf，選擇范圍在100~10000pF

為了提高放大器的穩(wěn)定性，一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻Rf（約1010～1014Ω），以提供直流反饋。第35頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)是：

在一定條件Cf（1+A）>>（Ca+Cc+Cf）下，傳感器的輸出電壓、靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。第36頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用舉例1.壓電式加速度傳感器第37頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.壓電式壓力傳感器第38頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考題：

１.壓電元件傳感器為什么不能測(cè)量靜態(tài)量，只能測(cè)動(dòng)態(tài)量？２.壓電元件傳感器的負(fù)載為什么是無(wú)窮大？３.前置電壓放大器的作用是什么？

４.電荷輸出型測(cè)量電路的主要優(yōu)點(diǎn)有哪些？第39頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月再見(jiàn)！武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院第40頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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