CH8压电式传感器

1、1 1第八章第八章 压电式传感器压电式传感器2学习要求学习要求n1.掌握压电传感器的工作原理及工作特性；掌握压电传感器的工作原理及工作特性；n2.学习压电传感器的应用。学习压电传感器的应用。3第八章第八章 压电式传感器压电式传感器u某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性当

2、作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。也随之改变。u这种将机械能转换为电能这种将机械能转换为电能的现象，称为的现象，称为“正压电效应正压电效应”。u当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为何变形，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）。u具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机机电能量的相互转换。电能量的相互转换。45压电材料及主要特性参数压电材料及主要特性参数n压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体压电晶体和和压

3、电陶瓷压电陶瓷。n压电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有： 压电常数压电常数: : 压电常数是衡量材料压电效应强弱的压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 弹性常数弹性常数/ /刚度刚度: : 压电材料的弹性常数、刚度决压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。定着压电器件的固有频率和动态特性。6 介电常数介电常数: 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。率下

4、限。 机械耦合系数：机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量（如电在压电效应中，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，是能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，是衡量压衡量压电材料机电材料机电能量转换效率的一个重要参数电能量转换效率的一个重要参数。 电阻电阻: 压电材料的绝缘电阻大将减少电荷泄漏，从而改压电材料的绝缘电阻大将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。善压电传感器的低频特性。 居里点温度居里点温度: 是指压电材料是指压电材料开始丧失压电特性的温度开始丧失压电特性的温度。 压电材料主要特性参数压电材料主要特性参数7表表 常用压电材料性能参数常用压电材料性能

5、参数 8 石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2，是单晶，是单晶体结构。天然结构的石英晶体外形，体结构。天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。它是一个正六面体。8.1.1 石英晶体石英晶体9n石英晶体各个方向的特性是不同石英晶体各个方向的特性是不同的。的。 其中纵向轴其中纵向轴z称为称为光轴光轴，经过，经过六面体棱线并垂直于光轴的六面体棱线并垂直于光轴的x称为称为电轴电轴，与，与x和和z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y称为称为机械轴机械轴。 通常把沿电轴通常把沿电轴x方向的力方向的力作用下产生电荷的压电效应称为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”， 而把沿机械轴而把沿机

6、械轴y方向的力作用下产生电荷的压电方向的力作用下产生电荷的压电效应称为效应称为“横向压电效应横向压电效应”。 而而沿沿光轴光轴z方向的力作用时不产生压电效方向的力作用时不产生压电效应应。 石英晶体石英晶体(a) 晶体外形；晶体外形； (b) 切割方向；切割方向；(c) 晶片晶片 10纵向压电特性纵向压电特性n若从晶体上沿若从晶体上沿y方向切下一块如图方向切下一块如图6-2（c）所示的）所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴时，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qx， 其大小为其大小为n式中式中, d11为为x方向受力的压电系数。方向受

7、力的压电系数。xxFdq11(6-1) 11横向压电特性横向压电特性n若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy，则，则仍在仍在与与x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为，其大小为n式中：式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，对称性， 有有d12=d11；n a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。 n 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。yyFbadq12(6-2) n石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一个石英

8、晶体的上述特性与其内部分子结构有关。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子（单元组体中构成石英晶体的硅离子（+）和氧离子（），）和氧离子（），在垂直于在垂直于z轴的轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 n当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 石英晶体压电模型石英晶体压电模型(a) 不受力时；不受力时； (b) x轴方向受力；轴方向受力； (c) y轴方向受力轴方向受力 13n因为

9、因为P=ql, q为电荷量，为电荷量，l为正负电荷之间距离。此为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。中性。 n当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体轴方向的压力作用时，晶体沿沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图随之变动。如图6-3（b）所示，此时正负电荷重）所示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于方向上的分量由于

10、P1的的减小和减小和P2、P3的增加而不等于零。在的增加而不等于零。在x轴的正方向轴的正方向出现负电荷，出现负电荷， 电偶极矩在电偶极矩在y方向上的分量仍为零，方向上的分量仍为零，不出现电荷。不出现电荷。 石英晶体压电特性石英晶体压电特性14n当晶体受到沿当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如轴方向的压力作用时，晶体的变形如图图6-3c）所示。与图）所示。与图6-3（b）情况相似，）情况相似，P1增大，增大，P2、P3减小。在减小。在x轴上出现电荷，它的极性为轴上出现电荷，它的极性为x轴正轴正向为正电荷。在向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。轴方向上仍不出现电荷。 n如果沿如果沿z轴

11、方向施加作用力，因为晶体在轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和方向和y方方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重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。这表明合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿沿z轴方向施加轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。作用力，晶体不会产生压电效应。 n当作用力当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之的方向相反时，电荷的极性也随之改变。改变。石英晶体压电特性石英晶体压电特性15石英晶体的应用石英晶体的应用压电石英晶体三压电石英晶体三维力钻削测力仪维力钻削测力仪三向压电铣三向压电铣削测力仪削测力仪168.1.2 压电陶瓷压

12、电陶瓷n压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料内部的晶粒有压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料内部的晶粒有许多自发极化的许多自发极化的电畴电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 n在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于

13、按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。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。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本没有变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有向基本没有变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。压电特性。17图图6-4 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a) 未极

14、化未极化; (b) 电极化电极化 18n 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，生偏转， 从而引起剩余极化强度的变化，从而引起剩余极化强度的变化， 因而在因而在垂直垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应。电荷

15、量的大。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：小与外力成如下的正比关系： n式中：式中： d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数； n F作用力。作用力。Fdq33(6-3) 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应19压电陶瓷特性与材料压电陶瓷特性与材料n压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，它的参数也随时间变化， 从而使其压

16、电特性减弱。从而使其压电特性减弱。 n最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是）。它是由碳酸钡和二氧化钛按由碳酸钡和二氧化钛按1 1摩尔分子比例混合后烧结而摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的成的。它的压电系数约为石英的50倍，倍， 但居里点温度但居里点温度只有只有115，使用温度不超过，使用温度不超过70，温度稳定性和机械，温度稳定性和机械强度都不如石英。强度都不如石英。2021 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列，）系列， 它是钛酸铅（它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（）和锆

17、酸铅（PbZrO3）组成的（）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在）。居里点在300以上，性能稳定，有较高的介以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数（性能指标见前表）。电常数和压电系数（性能指标见前表）。 铌镁酸铅是铌镁酸铅是20世纪世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅酸铅、锆酸铅（、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（）和钛酸铅（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数和的压电系数和较高的工作温度，较高的工作温度， 而且能承受较高的压力。而且能承受较高的压力。 33231ONbMg

18、Pb22 最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。 8.1.3 压电式传感器压电式传感器238.1.3 压电式传感器压电式传感器n

19、压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。（或电压）输出。 n由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的由于外力作用而在压电材料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限大的输入阻抗，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，这实际上是不可能的， 因此因此压电式传感器不能用于静态测压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以量。压电

20、材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。 n单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的单片压电元件产生的电荷量甚微，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）同输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极型号的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。性的，因此接法也有两种。24压电陶瓷片连接方法压电陶瓷片连接方法n（a）并联接法：）并联接法：两个压电片的负端粘结在一起，中间插入两个压电片的负端粘

21、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。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，从电路上看， 类似两个电容的并联。所以，外力作用下正类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的负电极上的电荷量增加电荷量增加1倍，电容量也增加倍，电容量也增加1倍，输出电压倍，输出电压与单片时相同与单片时相同。n（b）串联联接法：）串联联接法：两压电片不同极性端粘结在一起，两压两压电片不同极性端粘结在一起，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的下极板的电荷量与单电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了片时

22、相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍倍。25n在上述两种接法中，在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身并联接法输出电荷大，本身电容大，电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号并时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合且以电荷作为输出量的场合。 而而串联接法输出电串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合并且测量电路输入阻抗很高的场合。 n压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，式不同， 大致有大致有厚度变形、长度变形、体

23、积变形厚度变形、长度变形、体积变形和和厚度剪切变形厚度剪切变形等几种形式，等几种形式， 如图如图6-6所示。目所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。剪切式两种。 26（a)厚度变形厚度变形(TE); (b) 长度变形长度变形(LE)； (c) 体积变形体积变形(VE)； (d)面面切变形切变形(FS)； (e) 剪切变形剪切变形(TS) 27压电传感器特性压电传感器特性 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主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要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致力传递系数为非

24、线性所致，即，即低压力下力的传递损失较大。低压力下力的传递损失较大。 为此，为此， 在力传递系统中加入预加力，称预载。在力传递系统中加入预加力，称预载。这这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感除了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表面的间隙，提高刚度。器内外接触表面的间隙，提高刚度。 特别是，它特别是，它只有只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 压交变压交变力及剪力和扭矩力及剪力和扭矩。 28n压电式传感器可以看作一个电荷发生器，即一个压电式传感器可以看作一个电荷发生器，即一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电

25、电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为其电容量为n式中：式中： A 压电片的面积；压电片的面积； n d 压电片的厚度；压电片的厚度； n r 压电材料的相对介电常数。压电材料的相对介电常数。dACra08.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路29aaCqU 压电传感器也可以等效为一个电荷源。压电传感器也可以等效为一个电荷源。 如图（如图（b）所示。）所示。 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源

26、。源。 如图（如图（a）所示，电容器上的电压）所示，电容器上的电压Ua、电荷、电荷量量q和电容量和电容量Ca三者关系为三者关系为 30 压电传感器在实际使用时需考虑连接电缆的等效电容压电传感器在实际使用时需考虑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以及压电传感器的泄漏电以及压电传感器的泄漏电阻阻Ra。实际等效电路如图。实际等效电路如图所示。所示。 318.2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路n压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较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接入一个小，因此它的测量电路通常

27、需要接入一个高输高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。输出的微弱信号。n压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。压放大器和电荷放大器。32sinsinmamaadFd fUtUtCC1. 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）图（图（b）中，电阻）中，电阻R=RaRi / (Ra+Ri )，电容，电容C=

28、Cc+Ci，而，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力f =Fm sint的作用，其电压为的作用，其电压为 式中：式中： Um压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca； d压电系数。压电系数。 33.Ui,1(/)()1()1()1()iaRUU a j CaRU a j CajCCaj R CCadfRj Rj CadfCaj R CCaj R CC可得放大器输入端电压其复数形式为222)(1)(icamimimi.CCCRRdFUUU为的幅值输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 )(arctan2)(RCCCica34 在理想情况下

29、，传感器的在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么理想情况下输入，那么理想情况下输入电压幅值电压幅值Uim为为 表明表明前置放大器输入电压前置放大器输入电压Uim与频率无关与频率无关，一般在，一般在/03时，时，就可以认为就可以认为Uim与与无关，无关，0表示测量电路时间常数之倒数，表示测量电路时间常数之倒数，即即 RCCCica)(10222( )1()mmimaciacidFRdFUCCCR CCC35n这表明压电传感器有这表明压电传感器有很好的高频响应很好的高频响应，但当作用，但当作用于压

30、电元件的力为静态力（于压电元件的力为静态力（=0）时，）时， 前置放大前置放大器的输出电压等于零，器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输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，入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以所以压电传感压电传感器不能用于静态力的测量。器不能用于静态力的测量。 n当当(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压时，放大器输入电压Uim式式中中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也也将改变，因而将改变，因而Uim也随之变化。因此，也随之变化。因此，压电传感压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，器与前置放大器之

31、间连接电缆不能随意更换， 否否则将引入测量误差。则将引入测量误差。 36CaCeCi =-CfCaCeCioofququC （）uo放大器输出电压；放大器输出电压；2. 电荷放大器电荷放大器n电荷放大器由一个反馈电容电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器放大器输入端几乎没有分流，故可略去输入端几乎没有分流，故可略去Ra和和Ri并联电阻。并联电阻。37电荷放大器电荷放大器n电荷放大器的电荷放大器的输出电压输出电压uo只取决于输入电荷与反只取决于输入电荷与反馈电容馈电容C f ，与电缆电容，与电缆

32、电容C c无关，且与无关，且与q成正比成正比。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf 的温的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，不同的量程等因素，C f 的容量做成可选择的，范的容量做成可选择的，范围一般为围一般为100104pF。388.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 8.3.1 压电式测力传感器压电式测力传感器 压电式单向测力传感器的结构主要由石英晶片、压电式单向测力传感器的结构主要由石英晶片、 绝缘绝缘套、电极、上盖及基座等组成。套、电极、上盖及基座等组成。 398.3.

33、1 压电式测力传感器压电式测力传感器 传 感 器 上 盖 为 传 力 元 件 ， 它 的 外 缘 壁 厚 为传 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，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用传递到石英晶片上。石英晶片采用 xy 切型，切型， 利用其纵利用其纵向压电效应，向压电效应， 通过通过d11实现力实现力电转换。石英晶片的尺电转换。石英晶片的尺寸为寸为81mm。该传感器的测力范围为。该传感器的测力范围为050N，最小，最小分辨率为分辨率为0.01 N，固有频率为，固有频率为5060

34、 kHz，整个传感器，整个传感器重为重为10 g。 408.3.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器n压电式加速度传感器的结构主要由压电元件、质量块、压电式加速度传感器的结构主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。并由螺栓加以固定。41当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元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，力是加速度的函数， 即即 F = m a 此惯性力此惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感，当传感器选定后，器选定后，m为常数，为常数， 则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为 q = d11 F = d11 m a 与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。荷便可知加速度的大小。 8.3.2 压电式加速度传感