第七章压电式传感器

1、第七章第七章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器是力敏感元件，将被测量力、压力、加速度等转换成压电器是力敏感元件，将被测量力、压力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。压电式传感器压电式传感器是以某些是以某些晶体晶体受力后，在其受力后，在其表面表面产生产生电荷电荷的的压电效应压电效应为转换为转换原理的传感器。（原理的传感器。（敏感元件敏感元件：压电材料：压电材料/晶体）晶体）它可以测量最终能变换为它可以测量最终能变换为力力的各种物理量，如力、压力、加速度等，实现的各种物理量，如力、压力、加速度等，实现非电量的测量，是

2、一种典型的非电量的测量，是一种典型的有源传感器（发电型有源传感器（发电型/自发电式自发电式/机电转换式）机电转换式）；压电式传感器具有压电式传感器具有体积小体积小，重量轻重量轻，工作频带宽工作频带宽、灵敏度高灵敏度高、工作可靠、工作可靠、测量范围广测量范围广等特点，因此在各种等特点，因此在各种动态力、动态力、 机械冲击与振动机械冲击与振动的测量，以及声学、的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。第七章第七章 压电式传感器压电式传感器压电效应（石英和压电陶瓷）压电效应（石英和压电陶瓷）压电元件的等效电路压电元件的等效电路信号调

3、解电路信号调解电路应用应用7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料某些晶体，在某些晶体，在一定方向一定方向受到受到外力外力作用而产生形变时，会引起它作用而产生形变时，会引起它内部内部的的正负正负电荷电荷中心相对转移而产生中心相对转移而产生极化极化，导致在晶体的，导致在晶体的两个相对表面产生符号相反两个相对表面产生符号相反的的电荷；电荷；当当外力去掉外力去掉后，又重新后，又重新恢复不带电恢复不带电状态；状态；当作用当作用力方向改变力方向改变，电荷的，电荷的极性极性也随之也随之改变改变，这种现象为，这种现象为压电效应压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电半导体等。具有压电效应的物质

4、很多，如石英晶体、压电半导体等。压电效应分：压电效应分：正压电效应正压电效应和和逆压电效应逆压电效应。l电势型传感器电势型传感器 以压电效应为基础以压电效应为基础l压电效应可逆压电效应可逆 “双向传感器双向传感器”加力加力 变形变形 产生电荷产生电荷1. 正压电效应正压电效应7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料某些晶体（电介质）受到某些晶体（电介质）受到一定方向上一定方向上的机械的机械外力外力作用时，其内部产生作用时，其内部产生极化极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上两个表面上产生产生符号相反的电荷符号相反的电荷（或产生内部电场）。

5、当外（或产生内部电场）。当外力去掉后力去掉后，又重新，又重新恢复恢复不带电状态的现象。不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。机械能机械能电能电能机械能机械能电能电能在压电材料的在压电材料的两个电极面两个电极面上，如果加以上，如果加以交流电压交流电压，那么压电片能产生机械，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有振动，即压电片在电极方向上有伸缩伸缩的现象，这种现象称为的现象，这种现象称为“电致伸缩效电致伸缩效应应”，也叫做，也叫做“逆压电效应逆压电效应”。（。（施加电场施加电场电介质产生变形电介质产生变形应力应力）常见的压电材料

6、由石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。常见的压电材料由石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。压电式传感器又叫双向传感器压电式传感器又叫双向传感器2. 逆压电效应逆压电效应7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料正压电效应正压电效应机机械械能能电电能能压电元件压电元件逆压电效应逆压电效应自然界许多晶体具有自然界许多晶体具有压电效应压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷压电晶体、压电陶瓷。 7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体石英晶

7、体石英晶体石英晶体云母晶体云母晶体食盐晶体食盐晶体石英晶体振荡器石英晶体振荡器 （晶振）（晶振）石英晶体石英晶体石英晶体有三个晶轴：石英晶体有三个晶轴： X轴轴电轴电轴或或1轴轴，通过六面体相对的两个，通过六面体相对的两个棱线，并垂直于光轴；棱线，并垂直于光轴； Y轴轴机械轴机械轴或或2轴轴，垂直于两个相对的晶，垂直于两个相对的晶柱棱面；柱棱面； Z轴轴光轴光轴或或3轴轴，与晶体的纵轴线方向一，与晶体的纵轴线方向一致致（与（与x，y轴垂直）轴垂直）7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应纵向压电效应纵向压电效应沿电轴（沿电轴（X轴）方向的力作用下产

8、生电荷；轴）方向的力作用下产生电荷；横向压电效应横向压电效应沿机械轴（沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；轴）方向的力作用下产生电荷；在在光轴光轴（Z轴）方向施加力时，不产生压电效应。轴）方向施加力时，不产生压电效应。7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应沿沿X（电轴）（电轴）对晶片施加力对晶片施加力FX时，在时，在垂直于垂直于X轴轴的表面产生电荷的表面产生电荷 纵向压电效应纵向压电效应当当FX0时（时（拉力拉力），在），在x轴的正方向出现轴的正方向出现负负电；电；当当FX0时（时（拉力拉力），与），与FX0时的情况类似，在时的情况类似，在x

9、轴的正方向出现轴的正方向出现正正电；电；当当FY0时的情况类似，在时的情况类似，在x轴的正方向出现轴的正方向出现负负电；电；7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应沿沿Z（光轴）（光轴）对晶片施加力对晶片施加力FZ时，无压电效应。时，无压电效应。 由于正负离子位置保持不变，由于正负离子位置保持不变， ，所以不产生任何方向上的压电效，所以不产生任何方向上的压电效应。应。7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应晶片电荷极性与受力方向关系晶片电荷极性与受力方向关系（a）（b）（c）（d）图（图（a）：在）：在

10、X轴方向受压力轴方向受压力图（图（b）：在）：在X轴方向受拉力轴方向受拉力图（图（c）：在）：在Y轴方向受压力轴方向受压力图（图（d）：在）：在Y轴方向受拉力轴方向受拉力纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应电荷大小分析电荷大小分析（1）在）在X轴方向上，施加外力轴方向上，施加外力FX时，时，X轴表面产生的电荷量轴表面产生的电荷量压电系数，石英晶体压电系数，石英晶体 =2.310-12C/N分析：分析：作用力使晶体发生形变，并发生极化现象，产生一定的极化强度。作用力使晶体发生形变，并发生极化现象，产

11、生一定的极化强度。其极化强度：其极化强度：与应力与应力 大小有关大小有关则：则：l、b石英晶片的长度和宽度石英晶片的长度和宽度 极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度 而极化强度而极化强度 所以，所以， 相应的逆压电效应，在相应的逆压电效应，在X轴方向上施加外电压，则晶体产生的形变为：轴方向上施加外电压，则晶体产生的形变为：相对应变相对应变X轴方向上的电场强度轴方向上的电场强度（2）同理，在）同理，在Y轴方向上，施加外力轴方向上，施加外力FY时，时，X轴表面产生的电荷量轴表面产生的电荷量分析：分析：7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压

12、电效应石英晶体的压电效应电荷大小分析电荷大小分析而电荷密度而电荷密度相应的逆压电效应产生的形变相应的逆压电效应产生的形变在在X轴方向上，加外电场轴方向上，加外电场UX相对应变相对应变由上述可知：由上述可知： 无论是正或逆压电效应，其作用力（或无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变应变）与电荷（或）与电荷（或电场强度电场强度）之间呈）之间呈线线性性关系；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逆压电效应；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； 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。7.1 压电效应及压电材料压电效

13、应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应电荷大小分析电荷大小分析（1）纵向压电效应产生的电荷：）纵向压电效应产生的电荷： X X轴施轴施力力，垂直于，垂直于X X轴平面上的轴平面上的电荷电荷； 压电系数。压电系数。X X轴施加力，垂直于轴施加力，垂直于X X轴平轴平面上产生电荷面上产生电荷； 沿沿X X方向施加方向施加力力；当晶片受当晶片受X向的压力向的压力时，时， 与作用力与作用力 成成正比正比，与晶片的几何尺寸无关；，与晶片的几何尺寸无关；若若 改为改为拉力拉力时，在垂直于时，在垂直于X轴的平面上出现轴的平面上出现等量电荷等量电荷，但，但极性相反极性相反。7.1 压电效应及压

14、电材料压电效应及压电材料3. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应电荷大小分析电荷大小分析（2）横向压电效应产生的电荷：）横向压电效应产生的电荷：当晶片受当晶片受Y向的压力向的压力时，时， 与作用力与作用力 成成正比正比，且且与晶片的与晶片的几何尺寸几何尺寸有关；有关；XYqYF Y Y轴施轴施力力，垂直于，垂直于X X轴平面上的轴平面上的电荷电荷； 压电系数。压电系数。Y Y轴施加力，垂直于轴施加力，垂直于X X轴轴平面上产生电荷平面上产生电荷； 沿沿Y Y方向施加方向施加力力；晶片电荷极性与受力方向关系晶片电荷极性与受力方向关系压压压压拉拉拉拉7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料3

15、. 石英晶体石英晶体一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数 ；莫氏硬度为莫氏硬度为7，熔点为，熔点为1750，膨胀系数仅为钢的，膨胀系数仅为钢的1/30。优点：优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好，固有频率高、动态特转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好，固有频率高、动态特性好、工作温度高达性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。、稳定性好。7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料4. 压电陶瓷材料的压电效应分析压电陶瓷材料的压电效应分析属于铁电体一类物质，是人工制造的多晶体材料。属

16、于铁电体一类物质，是人工制造的多晶体材料。具有类似铁磁体材料磁畴结构的电畴结构，即电畴特性。具有类似铁磁体材料磁畴结构的电畴结构，即电畴特性。（1）电畴特性）电畴特性指材料分子，自发形成指材料分子，自发形成分子团分子团。材料内部有许多自发极化的材料内部有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。但在无外电场作用时，分子团（电畴）在晶体中杂乱无规则排列，它们各自的极但在无外电场作用时，分子团（电畴）在晶体中杂乱无规则排列，它们各自的极化效应被相互抵消，所以压电陶瓷内极化强度为零，晶体呈化效应被相互抵消，所以压电陶瓷内极化强度为零，晶体呈中性中性

17、。（。（不具有压电效不具有压电效应应）（2）极化过程）极化过程极化处理极化处理在陶瓷上施加在陶瓷上施加外电场，外电场，使电畴（分子团）趋于按外电场方向规则排使电畴（分子团）趋于按外电场方向规则排列，从而使材料得到极化（如图列，从而使材料得到极化（如图b）。）。外电场去除后，其内部电畴基本保持不变，留下了很强的外电场去除后，其内部电畴基本保持不变，留下了很强的剩余极化强度剩余极化强度，剩余极，剩余极化强度如图化强度如图c。压电陶瓷经过极化处理后，具有一定的压电陶瓷经过极化处理后，具有一定的压电效应压电效应。（3）压电效应分析）压电效应分析陶瓷片内束缚电荷与电极上陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由

18、电荷示意图吸附的自由电荷示意图极化方向极化方向- - - - - - - 自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极- - - - - - - 剩余极化强度剩余极化强度会在陶瓷的一端出现正束缚电会在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上上吸附吸附了一层来自外界的了一层来自外界的自由电荷自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号符号相反而数量相等相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。极化强度对外界的作

19、用。在未受外力作用下在未受外力作用下（3）压电效应分析）压电效应分析在外加与极化方向平行的压力时在外加与极化方向平行的压力时如果在陶瓷片上加一个如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生，陶瓷片将产生压缩形变压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的片内的正、负束缚电荷之间的距离变小距离变小，极化强度也变小极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的因此，原来吸附在电极上的自由电荷自由电荷，有一部，有一部分被分被释放释放，而出现，而出现放电现象放电现象。当压力当压力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢复原状恢复原状，片内的正、，片内的正、负电荷间的距离变大，极化强度也变大，因

20、此电负电荷间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象充电现象。 正压电效应正压电效应 F- - - - - - - - - - - - - - 极化方向极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图机械能机械能电能电能施加压力，陶瓷片施加压力，陶瓷片压缩形压缩形变变。正、负电荷间的正、负电荷间的距离变小距离变小，极化强度也变小极化强度也变小。释放释放部分部分自由电荷自由电荷放电放电压力压力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢复恢复原状原状，极化强度也变大，极化强度也变大，电极上又吸附部分自由电电极上又吸附部分自由电荷荷充电充电（3）压电效应分析）压

21、电效应分析外加与极化方向平行的压力时外加与极化方向平行的压力时机械能机械能电能电能（3）压电效应分析）压电效应分析 外加与极化方向相同外加与极化方向相同/相反的电场相反的电场如果在陶瓷片上加一个与如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场极化方向相同的电场，电场的作用使极，电场的作用使极化强度化强度增大增大。这时，陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的。这时，陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的距离也增大距离也增大，即陶瓷片沿，即陶瓷片沿极化方向产生极化方向产生伸长伸长形变。形变。同理，如果外加电场的方向与极同理，如果外加电场的方向与极化方向化方向相反相反，则陶瓷片沿极化方向，则陶瓷片沿极化方向产生产生收缩收

22、缩形变。形变。 逆压电效应逆压电效应 逆压电效应示意图逆压电效应示意图电场方向电场方向极化方向极化方向- - - - - - - - - - - - - - 电能电能机械能机械能若所加电场与若所加电场与极化极化方向相同方向相同，则陶瓷片，则陶瓷片沿极化方向产生沿极化方向产生伸长伸长形变。形变。若所加电场与若所加电场与极化方极化方向相反向相反，则陶瓷片沿极，则陶瓷片沿极化方向产生化方向产生收缩收缩形变。形变。 逆压电效应逆压电效应 （3）压电效应分析）压电效应分析 外加与极化方向相同外加与极化方向相同/相反的电场相反的电场电能电能机械能机械能7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料4. 压电

23、陶瓷材料的压电效应分析压电陶瓷材料的压电效应分析常见的压电陶瓷常见的压电陶瓷（1）钛酸钡（）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。材料。（3）铌镁酸铅压电陶瓷（）铌镁酸铅压电陶瓷（P

24、MN） 具有较高的压电系数，在压力大至具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。力传感器。7.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料5. 压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式并联方法并联方法：两片压电晶片的：两片压电晶片的负电荷负电荷集中在集中在中间电极上中间电极上，正电荷集中在两侧的电，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的极上，传感器的电容量大电容量大、输出电荷量大输出电荷量大、时间常数也大时间常数也大，故这种传感器适用，故这种传感器适用于于测量缓变信号及电荷量输出信号测量缓变信号及电荷量输出信号。( (a a)

25、)并联并联+ + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - +-U串联方法：串联方法：正电荷正电荷集中于上集中于上极板极板，负电荷负电荷集中于集中于下极板下极板，传感器本身的，传感器本身的电容量电容量小、响应快、输出电压大小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号以电压作输出的信号和频和频率较高的信号。率较高的信号。 + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - +-U7

26、.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料5. 压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（1）等效原理）等效原理压电晶体在受外力作用下，其电极表面产生压电晶体在受外力作用下，其电极表面产生正负极性的电荷，因此可以看出一个静电发正负极性的电荷，因此可以看出一个静电发生器，其类似一个以压电材料为电介质的电生器，其类似一个以压电材料为电介质的电容器容器Ca。当两极板聚集异性电荷时，极板之间的电压当两极板聚集异性电荷时，极板之间的电压大小为：大小为：压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（2）等效电路）

27、等效电路（a）电荷等效电路）电荷等效电路（b）电压等效电路）电压等效电路（a）等效电荷源）等效电荷源q（b）等效电压源）等效电压源Ua特点：压电晶体不适合静态测量特点：压电晶体不适合静态测量传感器内部信号电荷无传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能后产生的电压或电荷才能长期保存长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律，否则电路将以某时间常数按指数规律放放电电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差误差。事实上，传感器内部不可能没有泄露，外电

28、路负载也不可能无穷大，只有事实上，传感器内部不可能没有泄露，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以外力以较高频率较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。因此，压电晶体不适合于静态测量。因此，压电晶体不适合于静态测量。当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电表面漏电而很快泄漏、消失。而很快泄漏、消失。7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（3）实际应用中，压电传感器的完整

29、等效电路）实际应用中，压电传感器的完整等效电路完整电荷源等效电路完整电荷源等效电路完整电压源等效电路完整电压源等效电路Ca：传感器的固有电容：传感器的固有电容Ci：前置放大器输入电容：前置放大器输入电容Cc：连线电容：连线电容Ra：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻Ri：前置放大器输入电阻：前置放大器输入电阻由于压电式传感器的由于压电式传感器的输出电信号很微弱输出电信号很微弱，不能直接显示和记录；，不能直接显示和记录；通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器前置放大器中，经过中，经过阻抗交换阻抗交换以后，以后，方可用一般的方可用一般的放大检波电路放大检

30、波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中；再将信号输入到指示仪表或记录器中；测量电路的测量电路的关键关键在于在于高阻抗输入的前置放大器高阻抗输入的前置放大器；压电式传感器要求测量电路的压电式传感器要求测量电路的输入阻抗很高输入阻抗很高，防止电荷泄露，而增大测量误差；，防止电荷泄露，而增大测量误差；前置放大器前置放大器两个作用：把压电式传感器的高两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗输出阻抗变换成低阻抗输出变换成低阻抗输出 放大放大压电式传感器压电式传感器输出的微弱信号输出的微弱信号7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（4）测量电路）测量电路7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电

31、路（4）测量电路）测量电路前置放大器形式：前置放大器形式：电压放大器：其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电压放大器：其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。a、电压放大器、电压放大器7.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（4）测量电路）测量电路图中，等效电阻图中，等效电阻R为为等效电容为等效电容为外力作用时外力作用时力的幅值力的幅值根据压电效应：根据压电效应：则：则：放大器输入端的电压放大器输入端的电压Ui，其复数形式为，其复数形式为当当 ，上式简化为：，上式简化为：其幅值：其幅值：

32、结论：结论：放大器的输入放大器的输入Uim与与F的频率无关，因此具有较好的高频响应特性；的频率无关，因此具有较好的高频响应特性；改变压电传感器的引线电缆长度，其电缆电容的变化将引起放大器输入信改变压电传感器的引线电缆长度，其电缆电容的变化将引起放大器输入信号号Uim的变化。因此在测量中通常电缆长度固定（的变化。因此在测量中通常电缆长度固定（Cc=常数）。常数）。电压灵敏度，电压灵敏度，即，灵敏度与电路电容大小成反比关系。所以一般要求放大器的内阻即，灵敏度与电路电容大小成反比关系。所以一般要求放大器的内阻Ri增大增大（电容（电容C降低）。降低）。Ca：传感器的固有电容：传感器的固有电容Ci：前置

33、放大器输入电容：前置放大器输入电容Cc：连线电容：连线电容Ra：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻Ri：前置放大器输入电阻：前置放大器输入电阻0raSSCtt sinmQd Fd Ft()1aR CC11iaicaUd Fd FCCCCCmimicad FUCCCimmicaUdKFCCC1211XYYYllqdFdFtt 1212YXYXYFPddbt11XXXqFdlblb1111XXUtdd Ett1211dd XYXYqPlb1111XXUldd Elt 12112.31 10/dC N6.2 压电材料压电材料 6.2.1 石英晶体石英晶体根据石英晶体的对称条件根据石英晶体的对称条件 ，有

34、，有XXXYdd XYXXYaqdFb 压压压压拉拉拉拉XYXXYaqdFb 压压压压拉拉拉拉6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料多晶体压电材料；材料内部的晶粒有许多材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存，它有一定的极化方向，从而存在电场；在电场；（电畴电畴具有自发极化的晶体中存在一些具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致自发极化取向一致的微小区域的微小区域）在在无外电场无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相

35、相互抵消互抵消，压电陶瓷内，压电陶瓷内极化强度为零极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有不具有压电效应压电效应。电极化电极化当给电介质施加一个当给电介质施加一个电场电场时，由于电介质内部正负电荷的相对时，由于电介质内部正负电荷的相对位移，会产生位移，会产生等量异号的电荷等量异号的电荷6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷极化处理极化处理在陶瓷上施加在陶瓷上施加强外电场强外电场，使电畴，使电畴趋于按外电场方向规则排趋于按外电场方向规则排列列，使材料得到极化，此时压电陶瓷就，使材料得到极化，此时压电陶瓷就具有压电效应具有压电效应。在极化电场去除后

36、，在极化电场去除后，电畴基本保持不变电畴基本保持不变，留下了很强的剩余极化。，留下了很强的剩余极化。 6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷陶瓷片内束缚电荷与电极上陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图吸附的自由电荷示意图极化方向极化方向- - - - - - - 自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极- - - - - - - 陶瓷片内的陶瓷片内的极化强度极化强度总是以总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现端出现正束缚电荷正束缚电荷，另一端出现，另一端出现负束缚电荷负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的由于束缚

37、电荷的作用，在陶瓷片的电极面上电极面上吸附吸附了一层来自外界的了一层来自外界的自由自由电荷电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷荷符号相反而数量相等符号相反而数量相等，它屏蔽和抵，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷如果在陶瓷片上加一个如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生，陶瓷片将产生压缩形压缩形变变。片内的正、负束缚电荷之间的片内的正、负束缚电荷之间的距离变小距离变小，极化强度也变小极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的因此，

38、原来吸附在电极上的自由电荷自由电荷，有，有一部分被一部分被释放释放，而出现，而出现放电现象放电现象。当压力当压力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢复原状恢复原状，极化强，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现荷而出现充电现象充电现象。 正压电效应正压电效应 6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷施加压力，陶瓷片施加压力，陶瓷片压缩形压缩形变变。正、负电荷间的正、负电荷间的距离变小距离变小，极化强度也变小极化强度也变小。释放释放部分部分自由电荷自由电荷放电放电压力压力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢复恢复原状原状，极化强度也变大，极化强度

39、也变大，电极上又吸附部分自由电电极上又吸附部分自由电荷荷充电充电正压电效应正压电效应6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷如果在陶瓷片上加一个与如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场极化方向相同的电场，电场的作用使极，电场的作用使极化强度化强度增大增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的距离也增大距离也增大，即陶瓷片沿极化方，即陶瓷片沿极化方向产生向产生伸长伸长形变。形变。同理，如果外加电场的方向与极同理，如果外加电场的方向与极化方向化方向相反相反，则陶瓷片沿极化方向，则陶瓷片沿极化方向产生产生收缩收缩形变。形变。 逆压电效应逆压电效应 6.2 压

40、电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷若所加电场与若所加电场与极化极化方向相同方向相同，则陶瓷片，则陶瓷片沿极化方向产生沿极化方向产生伸长伸长形变。形变。若所加电场与若所加电场与极化方极化方向相反向相反，则陶瓷片沿极，则陶瓷片沿极化方向产生化方向产生收缩收缩形变。形变。 逆压电效应逆压电效应 6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷电场与极化方向相同电场与极化方向相同电场与极化方向相反电场与极化方向相反 压电陶瓷之所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在压电陶瓷之所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化自发极化，这些，这些自发极化经过自发极化经过极化处理极化处理后，被迫按一

41、定方向排列，且陶瓷内存在后，被迫按一定方向排列，且陶瓷内存在剩余极化剩余极化强度强度。若外界的作用（若外界的作用（如压力或电场如压力或电场）能使此）能使此极化强度极化强度发生改变，陶瓷就出现发生改变，陶瓷就出现压电效应压电效应。6.2 压电材料压电材料 6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷6.3 压电材料及压电元件的结构压电材料及压电元件的结构 6.3.2 压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路类似于类似于一个一个静电发生器静电发生器或或一个以压电材料为电介质的一个以压电材料为电介质的电容器

42、电容器Ca当两极板有当两极板有异性电荷异性电荷q时，极板间的电压时，极板间的电压6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 （1）电荷等效电路）电荷等效电路视为电荷输出视为电荷输出：等效为：等效为电荷源电荷源Q和和电容电容Ca并联，开路状态并联，开路状态输出端电荷输出端电荷为为把压电式传感器看成一个电荷源与电容并联的把压电式传感器看成一个电荷源与电容并联的电荷发生器电荷发生器 6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 （1）电压等效电路）电压等效电路视为电压输出：视

43、为电压输出：等效为等效为电压源电压源U和和电容电容Ca串串联，开路状态联，开路状态输出端电压输出端电压为为6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路实际使用时，压电传感器通过实际使用时，压电传感器通过导线导线与测量仪器相连接；与测量仪器相连接；压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路电压等效电路和和电荷电荷等效电路等效电路。这两种等效电路是完全等效的。这两种等效电路是完全等效的。6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的

44、测量电路由于压电式传感器的由于压电式传感器的输出电信号很微弱输出电信号很微弱，不能直接显示和记录；，不能直接显示和记录；通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器前置放大器中，经过中，经过阻抗交换阻抗交换以后，以后，方可用一般的方可用一般的放大检波电路放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中；再将信号输入到指示仪表或记录器中；测量电路的测量电路的关键关键在于在于高阻抗输入的前置放大器高阻抗输入的前置放大器；压电式传感器要求测量电路的压电式传感器要求测量电路的输入阻抗很高输入阻抗很高，防止电荷泄露，而增大测量误差；，防止电荷泄露，而增大测量误差；前

45、置放大器前置放大器两个作用：把压电式传感器的高两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗输出阻抗变换成低阻抗输出变换成低阻抗输出 放大放大压电式传感器压电式传感器输出的微弱信号输出的微弱信号6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）放大器电路放大器电路等效电路等效电路电压放大器的输入端电压放大器的输入端，电容，电容C=Cc+Ci，电阻，电阻R=Ra/Ri，输出端输出端Ua=q/Ca，若压电传感器受力若压电传感器受力 ，则压电元件上的电压为，则压电元件上的电压为 UiUm-压电元件输出

46、电压幅值；压电元件输出电压幅值；d压电系数压电系数6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）放大器输入端放大器输入端形成的电压为形成的电压为放大器输入放大器输入电压的幅值为电压的幅值为理想情况下，输入电压幅值为理想情况下，输入电压幅值为可以看出，前置放大器输入电压可以看出，前置放大器输入电压Uin大小与大小与被测频率被测频率无关；无关；若若电缆长度电缆长度改变，改变，CC改变，改变，Uin随之改变，所以压电传感器与前置放大器间的随之改变，所以压电传感器与前置放大器间的连接电缆连

47、接电缆不能随意更换，否则引入测量误差不能随意更换，否则引入测量误差6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）放大器输入放大器输入电压的幅值为电压的幅值为一般在一般在t3时，就可以认为时，就可以认为Uin与与无关，无关，t测量测量电路时间常数电路时间常数，即，即当作用于压电元件的力为当作用于压电元件的力为静态力静态力（=0）时，前置放大器的）时，前置放大器的输入电压为输入电压为0，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身而漏掉，所以压电传感器不能用因为电荷会通过放大器输入电阻和传

48、感器本身而漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量于静态力的测量6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）当动态力变为静态力时，当动态力变为静态力时，电荷将由于电荷将由于表面漏电表面漏电而很快而很快泄漏、消失。泄漏、消失。6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 2.电荷放大器电荷放大器由一个由一个反馈电容反馈电容Cf 和和高增益运算放大器高增益运算放大器构成；构成；由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，所以由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，所以 Uo放大器输出电压；放大器输出电压； Ucf反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。 +CaQCcCiRiCfRfU0 传感器传感器 电缆电缆放大器放大器RaA6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.4.2 压电式传感器的测量电路