压电式传感器

1、浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院第第6章章 压电式传感器压电式传感器 本章的主要内容有本章的主要内容有1.压电式传感器的结构原理；压电式传感器的结构原理；2.压电式传感器的测量电路；压电式传感器的测量电路；3.压电式传感器的典型应用；压电式传感器的典型应用；通过学习应掌握压电式传感器的性能特点通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本应用方法。及其基本应用方法。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院概述概述 压电式传感器是一种压电式传感器是一种自发电式自发电式传感器。它以某些电介质传感器。它以某些电介质的的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，为基础，在外力作

2、用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以测量最终能变换为力，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但但不能用于静态参数的测量不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。性高。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院

3、 正压电效应正压电效应（顺压电效应顺压电效应） 某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方一定方向向对其施力而使它变形时，内对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它部就产生极化现象，同时在它的的一定表面一定表面上产生电荷，当外上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频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率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。快泄漏、消失。5.15

4、.1压电效应压电效应( (Piezoelectric-effect) )压电效应演示压电效应演示浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：）： 当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，这些电介质就在施加电场，这些电介质就在一定方一定方向向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。或应力也随之消失的现象。机械能机械能电能电能压电效应的可逆性压电效应的可逆性 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描压电材料

5、在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：述，为：式中，式中，qii面上的电荷密度面上的电荷密度( (Ccm2) )；Qii面上的总电面上的总电荷量（荷量（C C）；）； jj方向的应力方向的应力( (Ncm2) )；Fjj方向的作方向的作用力；用力；dij压电常数压电常数( (CN) )，( (i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6) )。 iijjiijjq dQ dF或浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院5.2 5.2 压电材料的主要特性压电材料的主要特性压电材料主要特性压电材料主要特性： 转换性能。要求具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件

6、作为受力元件，希望它的机械强度高、机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 压

7、电材料可以分为两大类：压电晶体压电材料可以分为两大类：压电晶体( (单晶体单晶体) )，压电陶瓷，压电陶瓷( (多晶体多晶体) )。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 （1 1）石英晶体）石英晶体 石英（石英（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。数几乎不随温度变化，如下两图。 由图可见，在由图可见，在20200范围内，温度每升高范围内，温度每升高1，压电系数压电系数仅减少仅减少0.016

8、。但是当到但是当到573时，它完全失去了压电特性，这时，它完全失去了压电特性，这就是它的就是它的居里点居里点。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：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/相相对对介介电电常常数数居里居里点点石英在高温下石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性的温度特性浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可

9、天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z ZZ Z称为称为光轴光轴；经过正；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的六面体棱线，并垂直于光轴的X XX X轴称为轴称为电轴电轴( (electrical axis) ；与与X XX X轴和轴和Z ZZ Z轴同时垂直的轴同时垂直的Y YY Y轴（垂直于正六面体的棱面）轴（垂直于正六面体的棱面）称为称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)(a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b)坐标坐标系系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴X XX X方向的力作方向的力作用下产生电荷的

10、压电效应称为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，而把沿机械轴械轴Y YY Y方向的力作用下产生方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电荷的压电效应称为“横向压横向压电效应电效应”，沿光轴，沿光轴Z ZZ Z方向受方向受力则不产生压电效应。力则不产生压电效应。5.2 5.2 压电材料和它的主要特性压电材料和它的主要特性浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院石英晶体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浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 从石英晶体上切下一片平行六面体从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片晶体切片，使它，使它的晶面分别平行于的晶面分

11、别平行于X X、Y Y、Z Z轴，如图。并在垂直轴，如图。并在垂直X X轴方向两面轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。用真空镀膜或沉银法得到电极面。ZYXbl石英晶体切片石英晶体切片h双面镀银并封装双面镀银并封装浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院在晶体线性弹性范围内，极化强度在晶体线性弹性范围内，极化强度P PX X与应力与应力X X成正比，即成正比，即式中式中, FXX轴方向的作用力轴方向的作用力； d11压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体不同，石英晶体d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的长度和宽度

12、。石英晶片的长度和宽度。1111XXXFPddlb 当晶片受到沿当晶片受到沿X X轴方向的压缩应力轴方向的压缩应力X作用时，晶片将产生作用时，晶片将产生厚度变形厚度变形, ,即即纵向压电效应纵向压电效应（Thickness expansion) ，并发生极并发生极化现象化现象。XXqPlb式中式中 qX垂直于垂直于X X轴平面上的电荷。轴平面上的电荷。极化强度极化强度PX在数值上等于晶面上的电荷密度，即在数值上等于晶面上的电荷密度，即 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院将上两式整理，得将上两式整理，得XXFdq11式中式中 电极面间电容。电极面间电容。 XXXXXCFdCqU11tlbC

13、rX0其极间电压为其极间电压为F+q=dF浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 综上所述，在综上所述，在X轴方向施加压力时，轴方向施加压力时，左旋石英晶体左旋石英晶体的的X轴正向轴正向带正电；如果作用力带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图现等量电荷，但极性相反，见图( (a) )、( (b) )。 FXFX+ + + + + + + +(a)(b)XX注：按前述坐标系为左旋石英晶体，右旋石英晶体注：按前述坐标系为左旋石英晶体，右旋石英晶体 的结构的结构与左旋石英晶体成镜像对称，压电效果极性相反。与左旋石英晶

14、体成镜像对称，压电效果极性相反。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，则为如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，则为横向横向压电效应压电效应（Transverse expansion)，其电荷仍在与，其电荷仍在与X X轴垂直平面上轴垂直平面上出现，其极性见图（出现，其极性见图（c c）、（）、（d d），此时电荷的大小为），此时电荷的大小为 + + + + +(c)(d)FYFYXX根据石英晶体轴对称条件根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为则上式为式中式中 h晶片厚度晶片厚度。 则其极间电压为：则其极间电压为： 11XYlqdFh

15、11XYXXXqFlUdCh C 1212XYYlblqdFdFhbh式中式中 d12石英晶体在石英晶体在Y Y轴方向受力时的压电系数轴方向受力时的压电系数。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院如果在如果在Y Y轴方向施加电场，根据逆压电效应，晶片在轴方向施加电场，根据逆压电效应，晶片在Y Y轴方轴方向将产生伸缩变形，即向将产生伸缩变形，即或用应变表示或用应变表示:XUtldl11XEdll11由上述可知：由上述可知： 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变

16、）与电荷（或无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；电场强度）之间呈线性关系； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在晶体在哪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；逆压电效应； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于得

17、多。因此一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。或要求较高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。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。型。 (2)(2)水溶性压电晶体水溶性压电晶体 属于单斜晶系的有酒石酸钾钠属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC(NaKC4 4H H4 4O O6 64H4H2 2O)O)，酒石酸乙，酒石

18、酸乙烯二铵烯二铵(C(C4 4H H4 4N N2 2O O6 6，简称，简称EDT)EDT)，酒石酸二钾，酒石酸二钾(K(K2 2C C2 2H H4 4O O6 6H H2 2O O，简称，简称DKT)DKT)，硫酸锂，硫酸锂(Li(Li2 2SOSO4 4H H2 2O)O)。属于正方晶系的有磷酸二氢钾。属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH(KH2 2POPO4 4，简称，简称KDP)KDP)，磷酸二氢氨，磷酸二氢氨(NH(NH4 4H H2 2POPO4 4，简称，简称ADP)ADP)，砷酸，砷酸二氢钾二氢钾(KH(KH2 2AsOAsO4 4，简称，简称KDA)KDA)，砷酸二氢氨，砷酸

19、二氢氨(NH(NH4 4H H2 2AsOAsO4 4，简称，简称ADA)ADA)。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 2.2.压电陶瓷压电陶瓷 （1)1) 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCOBaCO3 3）和二氧化钛（和二氧化钛（TiOTiO2 2）按按1 1：1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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5050倍）。不足之处是居里温度低（倍）。不足之处是居里温度低（120120），

20、温度稳定性和机械），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。强度不如石英晶体。 (2) (2) 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT） 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300300以上，各项以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加机电参数受温度影响小，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）还可以获一种或两种其它微量元素（如

21、铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的得不同性能的PZTPZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式材料。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。传感器中应用最广泛的压电材料。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极压电陶瓷在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，如下图

22、所示。变，留下了很强的剩余极化，如下图所示。伸长直流电桥剩余伸长剩余极化压电陶瓷压电陶瓷浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上轴的表面上将会出现电荷，下左图将会出现电荷，下左图，其电荷量其电荷量q与作用力与作用力F成正成正比，即：比，即：q= dzzF ，下右图为：，下右图为：+ + +- - -+ + +- - -+ + +- - -YXZXYXZYAAFdAAFdq压电陶瓷压电陶瓷浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院

23、 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在存在自发极化自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷极化电荷是束缚电荷，而不是自由电，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放

24、电或充荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。荷的释放或补充的结果。 压电陶瓷外形压电陶瓷外形浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 (3) (3)压电聚合物压电聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVFPVF2 2）是目前发现的压电效应较强的）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄聚合物薄膜膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有是它们具有“平面锯齿平面锯齿”结构，存在抵

25、消不了的结构，存在抵消不了的偶极子偶极子。经延展。经延展和拉伸后可以使分子和拉伸后可以使分子链轴链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生产生自发极化偶极子自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就。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。这种薄膜有可挠性，并容可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，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、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可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压

26、电陶瓷粉末，制成混合复合材料复合材料(PVF(PVF2 2PZT)PZT)。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院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 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 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浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 （4）压电半导

27、体材料）压电半导体材料 如如ZnOZnO、CdS CdS 、ZnO ZnO 、CdTeCdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用响应时间短等优点。此外用ZnOZnO作为表面声波振荡器的压电作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。材料，可测取力和温度等参数。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电材料一般应考虑以下主要特性：压电材料一般应考虑以下主要特性：1) 1) 具有较大的压电常数。具有较大的压电常数。2) 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。有振动频率。3) 3)

28、具有高的电阻率和较大的介电常数。具有高的电阻率和较大的介电常数。4) 4) 具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。作温度范围。5) 5) 压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。各种压电材料的比较各种压电材料的比较 压电材料的选用原则压电材料的选用原则浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院受到受到x或或y方向的外力后，压电元件在两个方向的外力后，压电元件在两个表面积聚了正负电荷，压电元件相当于一表面积聚了正负电荷，压电元件相当于一个电荷发生器：个电荷发生器：压电材料是绝缘电阻很高的压电材料是

29、绝缘电阻很高的材料，因此又可把压电元件材料，因此又可把压电元件看成一个电容器：看成一个电容器：aaaCFdCqU6.压电式传感器压电式传感器 6.2 6.2 测量电路测量电路 一、等效电路一、等效电路 0raSSChh QQ电极压电晶体Ca(b)(a) 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院qCiaRiRaCaCaqCc 电荷等效电路：电荷等效电路：电荷源电荷源与一个电容并联与一个电容并联aaCqU等效电路实际电路Ca：传感器等效电容； Ra：泄露电阻Ri：放大器的输入电阻； Ci：放大器的输入电容； Cc：连接电缆电容6.压电式传感器压电式传感器 浙

30、江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 电压等效电路：电压等效电路：电压源电压源与一个电容串联与一个电容串联+-+-CaCiRiRaCaCcaaCqU等效电路等效电路实际电路实际电路6.压电式传感器压电式传感器 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院6.压电式传感器压电式传感器 6.2 6.2 测量电路测量电路 压电式传感器只有在外界负载无穷大、内部无漏压电式传感器只有在外界负载无穷大、内部无漏电时，受力后产生的电荷才能长期保存。否则以时电时，受力后产生的电荷才能长期保存。否则以时间常数（间常数（(Ra+ Ri )(Ca+Ci+Cc) )）按指数规律放电。）按指数规律放电。 为了提高时间常数

31、，需要增加为了提高时间常数，需要增加Ci或或Ri，但是增加但是增加Ci会使会使U U减小，所以一般增加减小，所以一般增加Ri 压电式传感器输出电信号很微弱，本身内阻很大，压电式传感器输出电信号很微弱，本身内阻很大，输出的阻抗很高，不能直接显示。输出的阻抗很高，不能直接显示。 通常应把传感器信号先输入到通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗高输入阻抗的前置的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。仪表中。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院前置放大器的作用有两点前置放大器的作用有两点; ;其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；

32、其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是其二是放大放大传感器输出的微弱电信号。传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式前置放大器电路有两种形式: :一种是用电阻反馈的一种是用电阻反馈的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入，其输出电压与输入电压电压( (即传感器的输出即传感器的输出) )成正比成正比; ;另一种是用带电容板反馈的另一种是用带电容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大

33、器应用日益广泛。器应用日益广泛。6.2 6.2 测量电路测量电路 6.压电式传感器压电式传感器 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院1.1.电压放大器电压放大器（又叫阻抗变换器，将高阻抗输出转为低阻抗输出）（又叫阻抗变换器，将高阻抗输出转为低阻抗输出） UOCa+-CaCiRiRaCc AUOCa A等效为等效为+-UaRC电压放大器电路电压放大器电路 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院tFFmsinFm作用力的幅值作用力的幅值设压电元件所受作用力设压电元件所受作用力图（图（b b）中，等效电阻）中，等效电阻R R为为iaiaRRRRRaaQUCC=Cc+Ci而而等效电容为等效电容为

34、33mmaad FQUCC若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d d3333，则在外力作用下，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为压电元件产生的电压值为 tUUmasinUm为电压幅值：为电压幅值： aiCCRjRjFdU133由图由图( (b b) )可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压U Ui i，其复数形式为，其复数形式为浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院222331icamimCCCRRFdUU Ui i的幅值的幅值U Uimim为为icaCCCRarctan2输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为icamm

35、imCCCFdRFdU3320331令令= =R R( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )，为测量回路的时间常数，并令为测量回路的时间常数，并令0 0=1/=1/，则可得则可得可见，如果可见，如果/0 011，即作用力变化频率与测量回路时间常数，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于的乘积远大于1 1时。前置放大器的输入电压时。前置放大器的输入电压U Uimim与频率无关。一般与频率无关。一般认为认为/0 033，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当明，在测量回路

36、时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。好的高频响应特性。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院但是，当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，但是，当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器。根据传感器电压灵敏度电压灵敏度K Ku u的定义得的定义得33221imum

37、aciUdKFCCCRicauCCCdK33因为因为R R11，故上式可以近似为，故上式可以近似为可见，可见，K Ku u与回路电容成反比，增加回路电容必然使与回路电容成反比，增加回路电容必然使K Ku u下降。为此下降。为此常将常将R Ri i很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时前置放大器的电缆长度时C Cc c将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。浙江工业大学机电学院浙江工

38、业大学机电学院对采用电压前置放大器的压电传感器电路，分析如下。对采用电压前置放大器的压电传感器电路，分析如下。（1 1） =0=0时，时，Ui=0Ui=0，说明压电传感器不能测静态量。，说明压电传感器不能测静态量。（2 2）当）当/ /n n11（一般满足（一般满足/ /n n 3 3即可）时，即可）时，U Uimim=U=Uamam，即，即输入前置放大器的电压与作用力的频率无关。这说明压电式传输入前置放大器的电压与作用力的频率无关。这说明压电式传感器的高频响应相当好，这是压电式传感器的一个突出优点。感器的高频响应相当好，这是压电式传感器的一个突出优点。 （3 3）如果被测物理量是缓慢变化的动

39、态量（）如果被测物理量是缓慢变化的动态量（ 很小），而很小），而测量回路的时间常数测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降，低又不大，则造成传感器灵敏度下降，低频动态误差为频动态误差为 2/11(/)nn 压电式传感器的压电式传感器的 3dB3dB截止频率下限为（取截止频率下限为（取 ） 一般情况下可实现一般情况下可实现f fL L 1Hz1Hz，低频响应也较好。，低频响应也较好。 21K)CCC(RficaL21浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 （4 4）为了满足阻抗匹配的要求，压电式传感器一般都采用）为了满足阻抗匹配的要求，压电式传感器一般都采用专门的前置放大器。电压前置放

40、大器（阻抗变换器）因其电路不专门的前置放大器。电压前置放大器（阻抗变换器）因其电路不同而分为几种型式，但都具有很高的输入阻抗（同而分为几种型式，但都具有很高的输入阻抗（10109 9以上）和以上）和很低的输出阻抗（小于很低的输出阻抗（小于10102 2）。）。 解决电缆分布电容问题的办法解决电缆分布电容问题的办法是将放大器装入传感器之中，是将放大器装入传感器之中，组成一体化传感器，如图组成一体化传感器，如图 （5 5）电压前置放大器电缆长度对传感器测量精度的影响较）电压前置放大器电缆长度对传感器测量精度的影响较大。因为，当电缆长度改变时，大。因为，当电缆长度改变时，C Cc c也将改变，因而放

41、大器的输入也将改变，因而放大器的输入电压电压U Uimim也随之变化，进而使前置放大器的输出电压改变。也随之变化，进而使前置放大器的输出电压改变。因此，压电式传感器与前置放因此，压电式传感器与前置放大器之间的连接电缆不能随意大器之间的连接电缆不能随意更换。如有变化时，必须重新更换。如有变化时，必须重新校正其灵敏度，否则将引入测校正其灵敏度，否则将引入测量误差。量误差。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院2 2、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器实质是一个深度负反馈、高增益的运算放大器。电荷放大器实质是一个深度负反馈、高增益的运算放大器。-A：放大器的开环增益，负号表示输入输出反相；：放大器

42、的开环增益，负号表示输入输出反相； R RF F、C CF F：反馈电阻与反馈电容。：反馈电阻与反馈电容。 压电式传感器与电荷放大器连接的基本电路及等效电路如下。压电式传感器与电荷放大器连接的基本电路及等效电路如下。 电荷前置放大器基本电路电荷前置放大器基本电路 电荷前置放大器等效电路电荷前置放大器等效电路浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院放大器输入电压：放大器输入电压： 放大器输出电压：放大器输出电压： 如果如果 可忽略传感器等效电容、连接电缆电容和放大器的输入电可忽略传感器等效电容、连接电缆电容和放大器的输入电容的影响，即：容的影响，即： fsoCqV从输出端折合到输入端 这是电荷放

43、大器的一大优点，也是为什么常使用电荷放大这是电荷放大器的一大优点，也是为什么常使用电荷放大器的原因。器的原因。 ficasiCACCCqV) 1(ficasisoCACCCAqAVV) 1(icafCCCCA)1 (浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .灵灵 敏敏 度：度：0.10.11000mV/pC1000mV/pC； 频率范围：频率范围：0.30.3100KHz100KHz；准准 确确 度：度：1%1%； 最大输出：最大输出：10V/10mA10V/10mA；噪声噪声( (最大增益最大增益) )：折合至输入端小于：折合至输入端小于5 5V V

44、；电电 源：源：220V/50Hz220V/50Hz；控制方式：；控制方式： 计算机或手动计算机或手动浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院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

45、电 源：源：6V6V15V15V 特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 2. 2.灵敏度灵敏度 电压灵敏度电压灵敏度: : 电荷灵敏度电荷灵敏度: : 因为因为: : 所以所以: :21()aVUKV sma21()qQKC smaaaQUCqVaKK C浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 由质量块上的力与加速度的关系由质量块上的力与加速度的关系: : F=ma ( (N N) ) 以及以及: : Q=d33F 可知压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度可知压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度: :213 3()q

46、KdmC s m213 3()VadmKV smC浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电式传感器的高频响应特别好，只要放大器的高频截止频压电式传感器的高频响应特别好，只要放大器的高频截止频率远高于传感器自身的固有频率，那么，传感器的高频响应率远高于传感器自身的固有频率，那么，传感器的高频响应完全由自身的机械问题决定，放大器的通频带要做到完全由自身的机械问题决定，放大器的通频带要做到100kHz100kHz以上并不困难，因此，压电式传感器的高频响应只需考虑传以上并不困难，因此，压电式传感器的高频响应只需考虑传感器的固有频率。但是，测量频率的上限不能设得跟传感器感器的固有频率。但是，测量频率

47、的上限不能设得跟传感器的固有频率一样高，因为在共振区附近传感器的灵敏度将随的固有频率一样高，因为在共振区附近传感器的灵敏度将随频率而急剧增加，其输出电量不再跟输入量成正比；并且，频率而急剧增加，其输出电量不再跟输入量成正比；并且，由于在共振区附近工作时，传感器的灵敏度要比出厂时的校由于在共振区附近工作时，传感器的灵敏度要比出厂时的校正灵敏度高得多，若不进行灵敏度修正，将造成很大的测量正灵敏度高得多，若不进行灵敏度修正，将造成很大的测量误差。因此实际测量的振动频率上限取误差。因此实际测量的振动频率上限取 ，在此，在此区域，传感器的灵敏度基本不随频率变化而变化。由于传感区域，传感器的灵敏度基本不随

48、频率变化而变化。由于传感器的固有频率相当高器的固有频率相当高( (一般可达一般可达3030 kHzkHz甚至更高甚至更高) )，因此，它，因此，它的测量频率上限可达几千赫，甚至达十几千赫。的测量频率上限可达几千赫，甚至达十几千赫。n(1/51/3)浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 2aaCC aaVV 2QQ 并联并联:电容增大电容增大（时间常数（时间常数也增大），也增大），电荷电荷灵敏度增灵敏度增大，适用于缓慢变化的信大，适用于缓慢变化的信号并以电荷作为输出的场号并以电荷作为输出的场合。合。21aaCC 2aaVV QQ 串联串联:电压增大，电压增大，电压灵电压灵敏度提高，敏度提高，

49、电容减小电容减小（时（时间常数也减少），适用于间常数也减少），适用于高频信号并以电压作为输高频信号并以电压作为输出的场合。出的场合。6.3压电传感器的应用压电传感器的应用 6 压电式传感器压电式传感器浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院(Piezoelectric accelerometer)6.36.3压电式传感器的应用压电式传感器的应用6.3.16.3.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，占所有加速压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，占所有加速度传感器的度传感器的8080以上。因其固有频率高，有较好的频率响应以上。因其固有频率高，有较好的

50、频率响应( (几千赫至几十千赫几千赫至几十千赫) )，如果配以电荷放大器，低频响应也很，如果配以电荷放大器，低频响应也很好好( (可低至零点几赫可低至零点几赫) )。另外，压电式传感器体积小、重量轻。另外，压电式传感器体积小、重量轻。缺点是要经常校正灵敏度。缺点是要经常校正灵敏度。 1 1结构和工作原理结构和工作原理压电加速度传感器结构形式主要有压缩型、剪切型和复合型。压电加速度传感器结构形式主要有压缩型、剪切型和复合型。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 1 1）压缩式）压缩式常见的压电式加速度传感器的结常见的压电式加速度传感器的结构一般是利用压电陶瓷的纵向构一般是利用压电陶瓷的纵向效

51、应，图示为压缩式压电加速度效应，图示为压缩式压电加速度传感器的结构原理图。测量时，传感器的结构原理图。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受振动时，因一起。当传感器感受振动时，因质量块的质量质量块的质量m相对被测物体的质量相对被测物体的质量M小得多，因此传感器的小得多，因此传感器的质量质量m感受到与传感器基座感受到与传感器基座M相同的振动，并受到与加速度相同的振动，并受到与加速度a方方向相反的惯性力，此力为向相反的惯性力，此力为F=ma。惯性力作用在压电陶瓷上产。惯性力作用在压电陶瓷上产生的电荷：生的电荷：Q=d33.F=d33ma 当振动频率远低于

52、传感器的固有频率时，传感器的输出电荷当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷( (电压电压) )与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院振动测试测量的参数：振动位移、振动速度和振动加速振动测试测量的参数：振动位移、振动速度和振动加速度，可通过积分、微分相互转换。度，可通过积分、微分相互转换。测振传感器：又称拾振器。测振传感器：又称拾振器。相对式振动传感器：使用不方便，一般不使用。相对式振动传感器：使用不方便，一般不使用。 二、压电式加速度传感器二、压电式加速度传感器与机械振动的测量与机械振动的测量绝

53、对对绝对对式振动式振动传感器：传感器：质量块质量块+弹簧弹簧+阻阻尼；尼；装在被装在被测物体测物体上上 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院（3）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器aaaC/dmaC/dFC/Qu测 量 范 围 ： 固 有 频 率 一 般测 量 范 围 ： 固 有 频 率 一 般4064kHz，可测频率范围小，可测频率范围小于于 1 / 5 1 / 1 0 的 固 有 频 率的 固 有 频 率ammmaT1001fmmmfT附加传感器后系统的加速度：附加传感器后系统的加速度：附加传感器后系统的固有频率：附加传感器后系统的固有频率：附加质量的影响：加速度附加质量的影响：加

54、速度降低，固有频率降低。降低，固有频率降低。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电式加速度传感器压电式加速度传感器1. YD1. YD型压电式加速度传感器型压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的YD型压型压电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图2

55、所示，有端面和侧面引出两种基本形式，它主要所示，有端面和侧面引出两种基本形式，它主要用于各种机械振动的测量。用于各种机械振动的测量。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院madFdqCdmaCqUmaF ma浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压缩式的压电式加速度传感器的其它结构压缩式的压电式加速度传感器的其它结构 (a)a)中央安装压缩式中央安装压缩式 (b)(b)隔离基座压缩式隔离基座压缩式 (c)(c)隔离预载筒压缩式隔离预载筒压缩式 (d) (d) 倒挂中心压缩型倒挂中心压缩型浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 2 2）剪切型剪切型 与压缩与压缩式加速度式加速度传感器相传

56、感器相比，剪切比，剪切式加速度式加速度传感器是传感器是一种很有一种很有发展前途发展前途的传感器，的传感器，并有替代并有替代压缩式的压缩式的趋势。趋势。(a) (a) 环形环形剪切式结构剪切式结构 (b) (b) 扁环形剪切式结构扁环形剪切式结构(c) H(c) H形剪切式结构形剪切式结构 (d) (d) 三角形剪切式结构三角形剪切式结构浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院3 3）复合型）复合型(1)(1)剪切压缩复合型剪切压缩复合型 (a) (a) 断面图断面图 (b) X(b) X和和Y Y方向加速度检测原理图方向加速度检测原理图 (c) Z(c) Z方向加速度检测原理图方向加速度检测原

57、理图一种压电式三向加速度传感器断面图一种压电式三向加速度传感器断面图 (2) (2) 组合一体化压电加速度传感器组合一体化压电加速度传感器（3 3）弯曲型压电加速度传感器）弯曲型压电加速度传感器浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电加速度传感器实物图压电加速度传感器实物图浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院 技术指标技术指标以某小型以某小型“内装内装ICIC的压电加速度传感器的压电加速度传感器”为例为例 灵敏度：灵敏度：500mV/g 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：4-4000Hz安装谐振点安装谐振点:15kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：40g 安装螺

58、纹：安装螺纹：M5 mm 线性：线性：1%浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电加速度传感器的安装及使用压电加速度传感器的安装及使用 a)a)双头螺丝固定双头螺丝固定 b)b)磁铁吸附磁铁吸附 c)c)胶水粘结胶水粘结 d)d)手持探手持探针式针式 1 1压电式加速度传感器；压电式加速度传感器；2 2双头螺栓；双头螺栓；3 3磁钢；磁钢；4 4粘接粘接剂；剂；5 5顶针顶针 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院6 压电式传感器压电式传感器为了使预紧力均匀地分布在压为了使预紧力均匀地分布在压电元件上，用螺钉电元件上，用螺钉6通过钢珠通过钢珠5和有凹坑的压板和有凹坑的压板4紧压在压电紧压

59、在压电元件上。钢珠和压板上凹坑有元件上。钢珠和压板上凹坑有自动找平作用，避免受力不均自动找平作用，避免受力不均匀。压电元件匀。压电元件3和和l极性为正的极性为正的一面通过铜片一面通过铜片2引出，极性为引出，极性为负的一面经由壳体相连并引出。负的一面经由壳体相连并引出。浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院5.5.2 5.5.2 压电式测力传感器压电式测力传感器图示为一种单向压电式测力传感器的结构图，它可用于机床动图示为一种单向压电式测力传感器的结构图，它可用于机床动态切削力的测量。压电晶片为零度态切削力的测量。压电晶片为零度x x切石英晶片，尺寸为切石英晶片，尺寸为8 81 1 mmmm，上

60、盖为传力元件，其变形壁的厚度为，上盖为传力元件，其变形壁的厚度为0.10.10.50.5 mmmm，由测力范围决定，由测力范围决定，F Fmaxmax=5000N=5000N。绝缘套用来电气绝缘和定位。绝缘套用来电气绝缘和定位。 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电式动态力传感器以及在车压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量床中用于动态切削力的测量 浙江工业大学机电学院浙江工业大学机电学院压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分压电式步态分析跑台析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测