第6章压电式传感器

1、山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器l 压电式传感器基于某些物质的压电式传感器基于某些物质的压电效应压电效应工作，是工作，是一种发电式传感器（无源传感器）。一种发电式传感器（无源传感器）。l 压电效应可逆，故压电式传感器是一种压电效应可逆，故压电式传感器是一种“双向传双向传感器感器”。l 优点：优点：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻、体积小。简单、工作可靠、重量轻、体积小。l 缺点：缺点：无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料工作温度在声

2、电缆，很多压电材料工作温度在250250左右。左右。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第一节第一节 压电效应与压电元件压电效应与压电元件1 1、压电效应、压电效应n正压电效应：正压电效应：某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方向一定方向对其施力对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一一定表面定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。电状态的现象。n逆压电效应：逆压电效应：当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，这些施加电场，这些电介质就在电介质就在一定方向一定

3、方向上产生机械变形或机械压力，当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。外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 压电方程压电方程（1 1）直观表达式：）直观表达式：局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。的表面为常数。生电荷定的作用力和一定的产为压电常数，对方向一ddFQ 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2 2）一般表达式：）一般表达式：应力。压电应力

4、常数；电荷密度；jijjijdqdq几点说明：几点说明：下角标下角标i i、j j：i=1i=1、2 2、3 3，表示晶体的极化方向；，表示晶体的极化方向；j=1j=1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6，分别表示沿分别表示沿x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴方向的单向应力和在垂直于轴方向的单向应力和在垂直于x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的平面轴的平面 ( (即即yzyz平面、平面、zxzx平面、平面、xyxy平面平面) )内作用的剪切力。内作用的剪切力。 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器应力符号规定：应力符号规定：单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右

5、手螺旋单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右手螺旋定则确定。图定则确定。图6 62b2b表示其正向。表示其正向。 需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定dijdij的符号，使得方程的符号，使得方程组具有更普遍的意义。组具有更普遍的意义。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（3 3）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：63653543433323213136

6、2652542432322212126165154143132121111ddddddqddddddqddddddq 各参数含义：各参数含义：q1q1、q2q2、q3q3垂直于垂直于x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的平面上的电荷面密度；轴的平面上的电荷面密度； 1 1、 2 2、 3 3沿着沿着 x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的单向应力；轴的单向应力； 4 4、 5 5、 6 6垂直于垂直于x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴的平面内的剪切应力；轴的平面内的剪切应力；山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 这样，压电材料的压电特性可以用它的这样，压电材料的压电特性可以用它的压电常数

7、矩阵压电常数矩阵表表示如下：示如下： 363534333231262524232221161514131211 dddddddddddddddddddij 补充说明：补充说明：压电常数压电常数dijdij的物理意义是指在的物理意义是指在“短路条件短路条件”下，单位应力产生的电荷密度。下，单位应力产生的电荷密度。 “短路条件短路条件”是指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在是指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在“二次效应二次效应”。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器二、压电材料二、压电材料l 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。明

8、显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。l 压电式传感器属于物性型，故选用压电式传感器属于物性型，故选用合适的压电材料合适的压电材料是设计是设计高性能传感器的关键。高性能传感器的关键。l 压电材料选择的具体要求：压电材料选择的具体要求：转换性能。转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。机械性能。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，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。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能。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希望具有高电阻率和大介电常数，以

9、减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。响并获得良好的低频特性。环境适应性强。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。得较宽的工作温度范围。时间稳定性。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器1 1、单晶体、单晶体n 石英晶体种类：石英晶体种类：天然石英和人造石英。天然石英和人造石英。n 石英晶体外形：石英晶体外形：镜像对称，理想外形具有镜像对称，理想外形具有3030个晶面。如图个晶面。如图6 63a3a。n 石英晶体的晶体轴石英晶体的晶体

10、轴（右手直角坐标系表示）（右手直角坐标系表示） X X轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强，轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强，又称又称电轴电轴； Y Y轴，垂直于六边形对边的轴线，又称轴，垂直于六边形对边的轴线，又称机械轴机械轴，在电场作用下，沿，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；该轴方向的机械变形最明显； Z Z轴，垂直于轴，垂直于X X、Y Y轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法确轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法确定，又称定，又称光轴光轴。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器术语：术语：

11、纵向压电效应：纵向压电效应：在在 x x作用下产生的压电效应；作用下产生的压电效应；横向压电效应：横向压电效应：在在 y y作用下产生的压电效应。作用下产生的压电效应。n 石英晶体的切割方法：石英晶体的切割方法：X X切和切和Y Y切。切。 X X切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行X X轴，长度平行轴，长度平行Y Y轴，宽度平行于轴，宽度平行于Z Z轴，以此原始位置旋转出来的切型；轴，以此原始位置旋转出来的切型； Y Y切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行Y Y轴，长度平行轴，长度平行X X轴，宽

12、度平行于轴，宽度平行于Z Z轴，以此原始位置旋转出来的切型；轴，以此原始位置旋转出来的切型；山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 石英晶体的特点：石英晶体的特点：（1 1）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图6 65 5。术语术语 居里点：居里点：石英压电常数石英压电常数d d在常温几乎不随温度变化，但当温度超过在常温几乎不随温度变化，但当温度超过500500时，急剧下降，达到时，急剧下降，达到573 573 时，石英晶体失去压电特性，该温时，

13、石英晶体失去压电特性，该温度称其居里点或倒转温度。度称其居里点或倒转温度。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2 2）石英晶体的机械强度很高，可承受约）石英晶体的机械强度很高，可承受约10108 8PaPa的压力；在的压力；在冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和加速度。加速度。（3 3）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标准传感器或精度很高的传感器。准传感器或精度很高的传感器。（4 4）人工石英（如铌酸锂晶体）时间稳定性远强于压电陶）人工石英（如铌酸锂晶体）时间稳定性

14、远强于压电陶瓷，居里点高达瓷，居里点高达12001200，适于做高温传感器。但其各向异，适于做高温传感器。但其各向异性明显，比石英脆，耐冲击性差。性明显，比石英脆，耐冲击性差。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、多晶体的、多晶体的n 压电效应：压电效应： 压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应，其电荷密度理后具有压电效应，其电荷密度q q与应力与应力 的关系的关系 q=dq=d33 33 d d33 33 纵向

15、压电常数。其极化方向定为纵向压电常数。其极化方向定为Z Z轴。轴。 其中，其中，BaTiOBaTiO3 3压电陶瓷的独立压电常数只有三个，其压压电陶瓷的独立压电常数只有三个，其压电常数矩阵如下：电常数矩阵如下： 00000000000001515333131dddddD山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 压电陶瓷的制作工艺：压电陶瓷的制作工艺：原材料粉碎；原材料粉碎；成型；成型；高温烧结得到多晶导电体；高温烧结得到多晶导电体；人工极化。人工极化。人工极化过程：人工极化过程： 原始压电陶瓷无压电性，烧结后有自发的电偶极距形成原始压电陶瓷无压电性，烧结后有自发的电偶极距形成的的“电畴电畴”

16、，但其在原始材料中无序排列，极化能力相互，但其在原始材料中无序排列，极化能力相互抵消。将这些小电畴置于抵消。将这些小电畴置于2030kv/cm的强化电场放的强化电场放23小时，极性转到接近电场方向。此时，铁电陶瓷具有压电小时，极性转到接近电场方向。此时，铁电陶瓷具有压电效应。效应。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 主要陶瓷压电材料：主要陶瓷压电材料：（1 1）钛酸钡压电陶瓷）钛酸钡压电陶瓷 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（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸）是由碳酸钡（钡（BaCOBaCO3 3）和二氧化钛（）和

17、二氧化钛（TiOTiO2 2）按）按1 1：1 1分子比例在高温分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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），温度），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。稳定性和机械强度不如石英晶体。（2 2）锆钛酸铅系压电陶瓷（）锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT） 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是由是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体

18、PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它与钛酸钡相比，。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在压电系数更大，居里温度在300300以上，各项机电参数受以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。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铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZTPZT材料，材料，如铌镁酸铅压电陶瓷（如铌镁酸铅压电陶瓷（PMNPMN）。）。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多压电陶瓷的压电系数比石英晶体的

19、大得多, , 所以采用压电陶瓷制所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余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, , 从而使其压电从而使其压电特性减弱。特性减弱。 (3) (3) 铌镁酸铅是铌镁酸铅是 20 20 世纪世纪 60 60 年代发展起来的压电陶瓷。它由铌年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅镁酸铅(Pb(Pb（MgMg1/31/3NbNb2/32/3）O O3)3)、 锆酸铅锆酸铅(PbZr(PbZrO O3)3)和钛酸铅和钛酸铅

20、(PbTi(PbTiO O3)3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷, , 具有极高的压电系数和较高具有极高的压电系数和较高的工作温度的工作温度, , 而且能承受较高的压力。而且能承受较高的压力。 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器术语：术语： 压电陶瓷具有明显的压电陶瓷具有明显的热释电效应热释电效应。该效应是指：某些。该效应是指：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化( (压电效压电效应应) )之外，还可由于之外，还可由于温度变化而产生电极化温度变化而产生电极化。用热释电。用热释电系数来表示该效应的强弱，它

21、是指温度每变化系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1 1时，时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为CC(m(m2 2g g) )。 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器3. PVDF3. PVDF压电薄膜压电薄膜l 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）是压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高）是压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯平面锯齿齿”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结构，存在抵消不了的偶

22、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，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲膜。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、灵敏度高、频带宽。为提高其压电性能还击、不易破碎、稳定性好、灵敏度高、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末，制成混合复合材料(PVF2

23、 PZT)。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 PVDF压电薄膜有独特的介电效应、压电效应、热电效应。与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成任意形状及面积不等的片或管等。在力学、声学、光学、电子电子、测量、红外红外、安全报警、医疗保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域应用十分广泛。膜厚30500m，产品形状、面积大小，可根据用户需要确定，是制作改进压力动态传感器传感器和超声、智能探测的新型换能材料。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感

24、器 PVDF压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷陶瓷高10倍，在80以下可长期使用。PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，匹配状态好，应用灵敏度高；PVDF压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；PVDF压电膜优点如下： (1) 良好的工艺性。可用现有设备进行加工； (2) 能制作大面积的敏感元件； (3) 频带响应宽(0500MHz)； (4) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构中； (5) 具有高冲击强度(可使用于冲击波的传

25、感器中)； (6) 耐腐蚀性(在活性介质中使用时这种性能是必需的)；山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 (7) 相对介电常数较低；相应较高的压电常数值d33(约比其它压电材料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/)值； (8) 与压电陶瓷比有更低的导热性,并能制得更薄的薄膜； (9) 柔软坚韧；PVDF的柔顺系数约为PzT的30倍，并且轻（比重只有PzT的1/4左右）； 能制成所需的各种较复杂的形状（锥形、穹顶形等），可使用在需要具有特殊定向的元件。 总之：PVDF压电膜比石英、PzT等有压电常数大，频响宽，机械强度好，耐冲击，质轻，柔韧，声阻抗易匹配，易加工成大面积，不易受水和一般化学

26、品的污染、价格便宜等特点。不仅在许多领域中可替代压电陶瓷材料使用，而且还可以应用在压电陶瓷材料不能使用的场合。因此它是一种极有发展前途的换能性高分子敏感材料。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器l 应用应用 ：l 人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜人体接触安全舒适，声阻抗接近人体肌肉，适宜作生物医学工程的传感器元件。作生物医学工程的传感器元件。l PVDF血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便。动脉沟吻合，使用方便。l 机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积

27、传感阵列器件。效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第三节第三节 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式一、压电元件的基本变形一、压电元件的基本变形n 依据石英晶体压电常数矩阵，其变形方式包括以下四种依据石英晶体压电常数矩阵，其变形方式包括以下四种:1、厚度变形（、厚度变形（TE方式）方式） 这种变形方式就是石英晶体的这种变形方式就是石英晶体的纵向压电效应纵向压电效应，产生的表，产生的表面电荷密度为面电荷密度为 1111dq 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2、长度变形（、长度变形（LE方式）方式） 这

28、种变形方式是利用石英晶体的这种变形方式是利用石英晶体的横向压电效应横向压电效应，产生的，产生的表面电荷密度或表面电荷为表面电荷密度或表面电荷为 关。量与晶片的几何尺寸有电轴的表面产生的电荷垂直于晶片施加作用力时，在结论：沿机械轴方向对的面积；为产生电荷面和受力面、或YXYXYSSSSFdQdq1212121山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器3、剪切变形、剪切变形4、弯曲变形（、弯曲变形（BS方式）方式） 非基本变形方式，是拉、压、剪切应力共同作用的结果。非基本变形方式，是拉、压、剪切应力共同作用的结果。可根据具体情况选择合适的压电常数。可根据具体情况选择合适的压电常数。 切晶片）（所示，

29、计算式如下：如图方式）厚度剪切变形（2（切晶片）（或切晶片）（所示，计算式如下：如图方式）面剪切变形（1（626252524141YdqdTSYdqXdqcFS山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 压电陶瓷的变形方式压电陶瓷的变形方式 对于对于BaTiOBaTiO3 3压电陶瓷，除长度变形方式压电陶瓷，除长度变形方式( (用用d d3131) )、厚度变形、厚度变形方式方式( (用用d d3333) )和面剪切变形方式和面剪切变形方式( (用用d d1515) )以外，还有体积变以外，还有体积变形方式形方式( (简称简称VE)VE)可以利用，如图所示。这时产生的表面电可以利用，如图所示。

30、这时产生的表面电荷密度按下式计算荷密度按下式计算 。为体积压缩的压电常数）（，则有，又因由于此时3331333133231321333232131322ddddddqdddddqVV山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 双晶片元件双晶片元件 实际应用中，如果只用单片压晶片，要产生足够的表面电实际应用中，如果只用单片压晶片，要产生足够的表面电荷需较大作用力。而荷需较大作用力。而测表面粗糙度和微压差时提供的力较测表面粗糙度和微压差时提供的力较小小，故常将两片或两片以上压电片组合使用。，故常将两片或两片以上压电片组合使用。（1）双片悬臂元件）双片悬臂元件（即双片弯曲式压电传感器）（即双片弯曲式

31、压电传感器） 利用压电陶瓷元件的利用压电陶瓷元件的纵向压电效应纵向压电效应。当自由端受力。当自由端受力F时，时，晶片弯曲，上片受拉，下片受压，中性面晶片弯曲，上片受拉，下片受压，中性面OO长度不变。长度不变。每个单片产生的电荷和电压为每个单片产生的电荷和电压为FblgCQUFldQ3122318383山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器（2 2）压电元件的串联和并联）压电元件的串联和并联QQUUCCQQUUCC22/22串联特点：并联特点：a a）并联）并联b b）串联）串联山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第四节第四节 等效电路与测量电路等效

32、电路与测量电路一、等效电路一、等效电路 压电元件两电极间的压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体压电陶瓷或石英为绝缘体，故可构，故可构成一个成一个电容器电容器，电容量计算式：，电容量计算式： 压电元件受外力作用，两表面产生等量正、负电荷，其压电元件受外力作用，两表面产生等量正、负电荷，其开路电压为：开路电压为：SCra0aCQU 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器结论结论： 压电传感器可等效为一个电荷源压电传感器可等效为一个电荷源Q Q和一个电容器和一个电容器C Ca a的的并并联电路联电路，如图，如图6 610(10(a a) )；也可等效为电压源；也可等效为电压源U U和一个电容和

33、一个电容器器C Ca a的的串联电路串联电路，如图，如图6 610(10(b b) )。其中，。其中，RaRa为压电元件的为压电元件的漏电阻。漏电阻。 qq电极压电晶体Ca山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 注意事项：注意事项： 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时, ,则应考虑连则应考虑连接电缆的等效电容接电缆的等效电容, ,前置放大器的输入电阻、输入电容。前置放大器的输入电阻、输入电容。图图6 61010山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器CaRaCcRiCiQ压电传感器的完整等压电传感器的完整等效电路效电路C Ca a传感器的固有电容；传

34、感器的固有电容；C Ci i 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 ; ;C Cc c 连接电缆的电容连接电缆的电容; ;R Ra a传感器的漏电阻传感器的漏电阻; ;R Ri i前置放大器输入电阻。前置放大器输入电阻。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器术语术语电压灵敏度电压灵敏度k ku u：单位力产生的电压；：单位力产生的电压；电荷灵敏度电荷灵敏度k kq q：单位力产生的电荷。：单位力产生的电荷。aquCkk/二者关系如下：山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器二、测量电路二、测量电路 压电式传感器本身的内阻很高压电式传感器本身的内阻很高( (R Ra a10101010)，而输

35、出的能，而输出的能量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个高输入阻抗的高输入阻抗的前置放大器前置放大器。前置放大器的作用：前置放大器的作用：u一是放大压电元件的微弱信号；一是放大压电元件的微弱信号；u二是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低输二是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗）。出阻抗）。前置放大器的形式前置放大器的形式：u一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压一种是电压放大器，它的输出电压与输入电压( (传感器的传感器的输出电压输出电压) )成正比；成正比；u一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出

36、电荷成正一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。比。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器1 1、电压放大器、电压放大器 将图将图6 610b10b的电压等效电路接到放大倍数为的电压等效电路接到放大倍数为A A的运放，的运放，再简化可得电压放大电路。再简化可得电压放大电路。AACaCaRaRiCiCcCRUiUoUoU(a)(b)Ua山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器图（图（b b）中，等效电阻）中，等效电阻R R为为iaiaRRRRRtFFmsin压电元件所受作用力压电元件所受作用力C=Cc+Ci等效电容为等效电容为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

37、压电陶瓷，其压电系数为d d3333，则在外力作用下，压电元件产生的电，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为压值为 tUumsinUmUm电压幅值电压幅值 F Fm m作用力的幅值作用力的幅值山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器amamCFdCqU33aiCCRjRjFdU133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 222331icamimCCCRRFdUU Ui i的幅值的幅值U Uimim为为山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器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

38、位差为为当当时，放大器输入端电压幅值为时，放大器输入端电压幅值为 icamimCCCFdU33传感器的电压灵敏度为传感器的电压灵敏度为 icamimuCCCdFUk33/山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器结论：结论： 因电缆电容及放大器输入电容的存在，灵敏度减小。如因电缆电容及放大器输入电容的存在，灵敏度减小。如果更换电缆，电缆电容变化，灵敏度变化。因此，如果要果更换电缆，电缆电容变化，灵敏度变化。因此，如果要改变电缆长度，必须重新对灵敏度校正。改变电缆长度，必须重新对灵敏度校正。相对幅频特性计算：相对幅频特性计算：各电阻电容值。可根据此式选择与配置1时间常数要满足下式：若下限频率选定之

39、后，)(测量回路的时间常数，式中1)(1为，可以求得频率下限21取)(1)()()(12221LicaicaLLicaicaimimCCCRCCCRkCCCRCCCRUUk山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器压电式传感器的特点分析：压电式传感器的特点分析：（1 1）高频相应好；）高频相应好；（2 2）要扩展低频端，应使时间常数）要扩展低频端，应使时间常数增大。增大。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、电荷放大器、电荷放大器n 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图路如图a a所示，所示，C CF F、R

40、 RF F为反馈电路参数。此处运用导纳运算。为反馈电路参数。此处运用导纳运算。nC CF F、R RF F等效到等效到A A的输入端时，电容的输入端时，电容C CF F和电导和电导G GF F都增大都增大(1(1A A) )倍。倍。所以图中所以图中)1 ();1 (AGGACCFFFFACaUoa a）基本电路图）基本电路图iRaQCFRFUi山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器n 若再考虑若再考虑C Cc c、C Ci i、R Ri i，则电荷放大器的等效电路图如，则电荷放大器的等效电路图如b b所示。输出电压所示。输出电压ioUAUFicaFiaoCACCCjGAGGQAjU)1 ()

41、1 (AGaCFUoUiQCaCcCiGiGFb b）等效电路图）等效电路图山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器讨论：讨论：（1 1）当）当A A足够大时足够大时, ,传感器本身的电容和电缆长短将不影传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。输出电压只决定于输入电荷响电荷放大器的输出。输出电压只决定于输入电荷Q Q及及反馈回路的参数反馈回路的参数C CF F和和R RF F。（2 2）当工作频率很高（）当工作频率很高（即被测量为高频信号即被测量为高频信号），由于），由于G GF FCCa+Cc+Ci，式重写为： （6-22）当足够大时，可得 U=-Q/CF这个结果同式（6-18）

42、是一样的。 011FjA R QUjAR CFicaFiaoCACCCjGAGGQAjU)1 ()1 (山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 将Q=CaU代入式（6-22） 设Ca=CF,并取U0/U= ，可得频率下限为 将此式与式 相比， 如果R相同，CF与（Ca+Cc+Ci）数量级相近，则电荷放大器的低频截止频率将比电压放大器降低A倍，而A又比较大，显然是一个很大的优点。2/11)(1icaLCCCR)/(1FLARC山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 电荷放大器工作频带上限主要与两种因素有关：一是运算放大器的频率响应；二是若电缆很长，杂散电容和电缆电容都会增加，导线自身的电阻也

43、增加，会影响电荷放大器的高频特性，但影响不大。例如100m电缆的电阻仅几欧到数十欧，故对频率上限可以忽略。 电荷放大器虽允许使用很长的电缆，且电容Ca变化不影响灵敏度，但它比电压放大器价格高，电路较复杂，调整也比较困难。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 3.差动式电荷放大器 高温条件下工作的压电传感器，其本身的绝缘电阻会显著下降，为避免地电场对测试系统的干扰，需要使压电晶体与传感器的底座绝缘，这就要求传感器信号线采用双线引出，且电缆外屏蔽线仍与传感器底座相连。那么单端输入式电荷放大器就无法满足要求，需要采用差动式输入电荷放大器。双点反馈式差动电荷放大器原理框图山东理工大学机械学院第六章

44、 压电式传感器 双点反馈是负反馈以及用倒相后的输出向正输入端反馈。优点：放大器增益基本不受从每个信号输入线到公共地线电容平衡值或绝度值的影响。其输入-输出特性可用下式表示：Q12差动输入电荷120121211ffffQQuQQQCCCC山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 差动电荷放大器优点： 可与地绝缘的差动式对称输出压电传感 器联用，增加测试系统的抗干扰能力； 仅感受传感器的差动输入电荷信号并将其转化为电压信号； 具有抑制共模电压干扰的能力，并把杂散磁场和电缆噪声的影响减至最小。 山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器第五节第五节 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例 特点：

45、特点：压电式传感器的高频响应好；若配备合适的电荷放压电式传感器的高频响应好；若配备合适的电荷放大器，低频段可低至大器，低频段可低至0.3Hz0.3Hz。常用来测量动态参数，如振。常用来测量动态参数，如振动、加速度等。动、加速度等。一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器 1 1、单端中心压缩式、单端中心压缩式 组成：质量块组成：质量块1 1、 双压电晶体片双压电晶体片2 2、 引线引线3 3、底座、底座4 4。 公式：公式： Q QdFdFd dm ma a山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 常用的压电式加速度计。结构形式如图所示。常用的压电式加速度计。结构形式如图所示。S S是弹簧

46、，是弹簧，M M是质块，是质块，B B是基是基座，座，P P是压电元件。压电元件是压电元件。压电元件质量块质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。与基座连接。这种结构有高的共振频率。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 2 2、梁式、梁式 特点：采用压电晶体弯曲变形方案，可测较小的加速度，灵敏度特点：采用压电晶体弯曲变形方案，可测较小的加速度，灵敏度高，频率下限低。高，频率下限低。(b)(b)图图 3 3、挑担剪切式、挑担剪切式 压电元件很好的与底座机械隔离，防底座弯曲和噪声，压电元件只压电元件很好的与底座机械隔离，防底座弯

47、曲和噪声，压电元件只承受剪切力，可以有效削弱瞬变温度引起的热释电效应。承受剪切力，可以有效削弱瞬变温度引起的热释电效应。 (c) (c)图图 质量块质量块1 1、双压电晶体片、双压电晶体片2 2。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器二、压电式测力传感器二、压电式测力传感器1、单向压电测力传感器、单向压电测力传感器l 石英晶片：石英晶片：纵向压电效应；采用纵向压电效应；采用X X零度切型（零度切型（即晶片面与即晶片面与X X轴垂直的切轴垂直的切割，或者说晶片厚度沿割，或者说晶片厚度沿X X轴方向，长度沿轴方向，长度沿Y Y轴方向轴方向）；取电荷的电极为）；取电荷的电极为与与X X轴垂直的上下

48、底面，晶片尺寸为轴垂直的上下底面，晶片尺寸为881 1毫米，许用压力毫米，许用压力151510105 5PaPa；量程几量程几kNkN10105 5 kNkN时，输出并联受力串联。时，输出并联受力串联。 l 上盖（盖板）：上盖（盖板）：传力元件，它的变形壁的厚度只有传力元件，它的变形壁的厚度只有0.10.10.50.5毫米；毫米；l 金属基座金属基座l 绝缘环：绝缘环：聚四氟材料；聚四氟材料；l 焊缝：焊缝：电子束焊接。电子束焊接。山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器2 2、三向压电测力传感器、三向压电测力传感器l 基本结构同单向测力传感器；基本结构同单向测力传感器；l 压电元件由三对不同

49、切型的石英片组成，中间一对由于具有纵向压电压电元件由三对不同切型的石英片组成，中间一对由于具有纵向压电效应，可以测得主切削力效应，可以测得主切削力P Pz z；另外两对具有切向效应，方向互成；另外两对具有切向效应，方向互成9090，可以测量径向力可以测量径向力P Py y与进给力与进给力P Px x。l 当空间任何方向的力作用在传感器上时，便能自动的分解成三个互相当空间任何方向的力作用在传感器上时，便能自动的分解成三个互相垂直的分力。垂直的分力。 电子束焊接山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器X XZ ZY Yq1=d11q1=d11 1 1山东理工

50、大学机械学院第六章 压电式传感器X XZ ZY Yq2=d26q2=d26 6 6山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器X XZ ZY Yq2=d26q2=d26 6 6山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 三、三、压电式流量计压电式流量计 利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间( (如如1/ /100s) )，发，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与

51、流速成正比。射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。 流量显示流量显示1789输出信号输出信号换能器换能器换能器换能器接收接收接收接收发射发射发射发射压电式流量计压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达响。其准确度可达0.5%，有的可达到，有的可达到0

52、.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况随深度的分布情况山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器压电式传感器在自来水管道测漏中的应用压电式传感器在自来水管道测漏中的应用 如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上，在管道上A、B两点放两只传感器，两点放两只传感器，A、B距离为距离为L（已知或可测），从（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由两个传感器接收的由O点传来点传来的的t0时刻发出的振动信号所用时间为时刻发出的振动信号所用时间为tA（LA/V）和）和 tB（LB/V），两者时间差为），两者时间差为 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1）又又 L =LA+LB （2）LABO点点LALB地地 面面山东理工大学机械学院第六章 压电式传感器 因为管道埋设在地下，看不到因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道点，也不知道LA和和LB的长度，的长度，已知的是已知的是L和和V，如果能设法求出，如