[工学]第7章压电式传感器ppt课件

1、第第7 7章章 压电式传感器压电式传感器 7.l 7.l 压电式传感器的任压电式传感器的任务原理务原理 7.1.1 7.1.1 压电效应压电效应 7.1.2 7.1.2 压电效应的物压电效应的物了解释了解释 7.2 7.2 压电元件常用构造压电元件常用构造方式方式 7.3 7.3 压电元件的等效电压电元件的等效电路及丈量电路路及丈量电路 7.3.1 7.3.1 等效电路等效电路 7.3.2 7.3.2 丈量电路丈量电路 7.4 7.4 压电式加速度传感压电式加速度传感器器 7.4.1 7.4.1 任务原理及特任务原理及特性性 7.4.2 7.4.2 压电加速度传压电加速度传感器的典型构造感器的

2、典型构造 7.4.3 7.4.3 压电式加速度压电式加速度传感器的运用传感器的运用 7.5 7.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 7.5.1 7.5.1 压电式压力传压电式压力传感器的原理及构造感器的原理及构造 7.5.2 7.5.2 压电式压力传压电式压力传感器的构造及运用感器的构造及运用压电式传感器是利用某些物质的压电效应制造压电式传感器是利用某些物质的压电效应制造的传感器。的传感器。压电效应是可逆的，即有两种压电效应：压电效应是可逆的，即有两种压电效应： 正压电效应正压电效应:当沿着一定方向对某些电介质施当沿着一定方向对某些电介质施加力而使其变形时，在一定外表上产生电荷，当外加力而使

3、其变形时，在一定外表上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的形状；力去掉后，又重新回到不带电的形状； 逆压电效应逆压电效应:当在介质的极化方向施加电场时，当在介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一定的方向上产活力械变形或机械这些电介质就在一定的方向上产活力械变形或机械应力；当外加电场撤去后，这些变形或应力也随之应力；当外加电场撤去后，这些变形或应力也随之消逝。消逝。 可见压电式传感器是一种典型的可见压电式传感器是一种典型的“双向传感器双向传感器。7.17.1压电式传感器的任务原理压电式传感器的任务原理7.1.17.1.1压电效应压电效应一、压电效应一、压电效应 压电效应压电效应: :某

4、些电介质某些电介质, , 当沿着一定方向对其施力而使它当沿着一定方向对其施力而使它变形时变形时, , 其内部就产生极化景其内部就产生极化景象内部正负电荷中心相对位象内部正负电荷中心相对位移移, , 同时在它的两个外表上同时在它的两个外表上便产生符号相反的电荷便产生符号相反的电荷, , 当外当外力去掉后力去掉后, , 其又重新恢复到不其又重新恢复到不带电形状，带电形状， 这种景象称压电效这种景象称压电效应。应。 正压电效应、逆压电效应正压电效应、逆压电效应电致伸缩效应电致伸缩效应 压电资料能实现机压电资料能实现机电能电能量的相互转换。量的相互转换。1正压电效应正压电效应电介质在沿一定方向上遭到外

5、力电介质在沿一定方向上遭到外力 产生变形产生变形 外力去掉，回到不带电形状外力去掉，回到不带电形状 内部产生极化景象，外表产生电荷内部产生极化景象，外表产生电荷 压电效应动画演示压电效应动画演示2. 逆压电效应逆压电效应极化方向上施加交变电场极化方向上施加交变电场 产活力械变形产活力械变形 去外加电场，变形消逝去外加电场，变形消逝 逆压电效应动画演示逆压电效应动画演示 二、压电资料二、压电资料 1. 1.石英晶体石英晶体石英晶体是单晶体构造。它是一个正石英晶体是单晶体构造。它是一个正六面体，有右旋和左旋晶体之分，外形互六面体，有右旋和左旋晶体之分，外形互为镜像对称。为镜像对称。 石英晶体各个方

6、向的特性是石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。 电轴电轴X X轴、轴、1 1：垂直于此轴面上的压电：垂直于此轴面上的压电效应最强。效应最强。机械轴机械轴Y Y轴、轴、2 2：在电场沿：在电场沿X X向作用下，向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。沿该轴方向的机械变形最大。光轴光轴Z Z轴、轴、3 3：垂直于：垂直于XYXY。光线沿该轴。光线沿该轴经过石英晶体时，无折射，在此方向加外经过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应景象力，无压电效应景象 。通常把沿电轴通常把沿电轴x x 方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷的压电

7、效应称为的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应, , 而把而把沿机械轴沿机械轴y y 方向的作用下产生电荷的压电方向的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。 而沿光轴而沿光轴z z 方向受力时不产生压电效应。方向受力时不产生压电效应。从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如下图。当从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如下图。当晶片在沿晶片在沿X X轴的方向上遭到紧缩应力轴的方向上遭到紧缩应力sxxsxx的作用时，晶片将产生厚度变形，并的作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化景象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度发生极化景象。在晶体的线

8、性弹性范围内，极化强度PxxPxx与应力与应力sxx sxx 成正比，成正比，即即 而极化强度而极化强度PxxPxx等于晶片外表的电荷密度，等于晶片外表的电荷密度， 即即把把PxxPxx值代入得值代入得由式看出，当晶片遭到由式看出，当晶片遭到X X向的压力作用时，向的压力作用时，qxxqxx与作用力与作用力FxFx成正比，而与成正比，而与晶片的几何尺寸无关。晶片的几何尺寸无关。 下标下标m m：产生电荷的面的轴向：产生电荷的面的轴向 下标下标n n：施加作用力的轴向：施加作用力的轴向 lbFddPxxxxx1111lbqPxxxxxxxFdq11石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图石英晶片

9、受压力或拉力时，电荷的极性如下图在在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；假设作用力轴正向带正电；假设作用力Fx改为拉力时，那么电荷仍出如今在垂直于改为拉力时，那么电荷仍出如今在垂直于X轴的平面上，但极性相反，如轴的平面上，但极性相反，如图图a、b。假设在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷。假设在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与仍在与 X轴垂直平面上出现，其极性见图轴垂直平面上出现，其极性见图c、d，此时电荷的大小，此时电荷的大小为为 X Fy Fy Fx Fx X X X （a） （b） （d） （c）yxyFbhlbdq1

10、21112dd根据石英晶体轴的对称条件根据石英晶体轴的对称条件负号表示沿负号表示沿Y轴的紧缩力产生的电荷与沿轴的紧缩力产生的电荷与沿X轴施加的紧缩轴施加的紧缩力所产生的电荷极性相反。由式可见，沿机械轴方向对晶片力所产生的电荷极性相反。由式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。施加作用力时，产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。1112ddyxyFhldq11石英晶体外形图石英晶体外形图压电晶体是一种单晶体压电晶体是一种单晶体例如：例如：石英晶体；石英晶体；酒石酸钾钠酒石酸钾钠等等 天然构成的石英晶体外形图天然构成的石英晶体外形图2 2、压电陶瓷、压电陶瓷未

11、加电场未加电场 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电资料。在无外电场作用时压电陶瓷是人工制造的多晶体压电资料。在无外电场作用时, , 电畴电畴在晶体中杂乱分布在晶体中杂乱分布, , 它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消, , 压电陶瓷内极化强度压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, , 不具有压电性质。不具有压电性质。加电场加电场电畴方向发生转动电畴方向发生转动, , 趋向于按外电场方向的陈列趋向于按外电场方向的陈列, , 从而使资料得从而使资料得到极化。外电场愈强到极化。外电场愈强, , 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让就有更多的电畴更

12、完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使资料的极化到达饱和的程度外电场强度大到使资料的极化到达饱和的程度, , 即一切电畴极化方向即一切电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时都整齐地与外电场方向一致时, , 外电场去掉后外电场去掉后, , 电畴的极化方向根本电畴的极化方向根本不变不变, , 这时的资料具有压电特性。这时的资料具有压电特性。 压电陶瓷在极化面上遭到垂直于它的均匀分布的作用力时亦即作压电陶瓷在极化面上遭到垂直于它的均匀分布的作用力时亦即作用力沿极化方向，那么在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。用力沿极化方向，那么在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其电荷量其电荷量q q与力

13、与力F F成正比，比例系数为成正比，比例系数为 d33 d33，亦即，亦即式中式中 d33 d33压电陶瓷的纵向压电系数。压电陶瓷的纵向压电系数。下标的意义与石英晶体一样，但在压电陶瓷中，通常把它的极化方下标的意义与石英晶体一样，但在压电陶瓷中，通常把它的极化方向定为向定为Z Z轴下标轴下标3 3，这是它的对称轴，在垂直于，这是它的对称轴，在垂直于Z Z轴的平面上，恣意轴的平面上，恣意选择的正交轴为选择的正交轴为X X轴和轴和Y Y轴，下标为轴，下标为l l和和2 2，所以下标，所以下标 l l和和2 2是可以互易的。是可以互易的。Fdq33 极 化 面 F F F F (a ) (b ) 7

14、.1.27.1.2压电效应的物了解释压电效应的物了解释石英晶体的压电特性与其内部分子的构造有石英晶体的压电特性与其内部分子的构造有关。其化学式为关。其化学式为 SiO2 SiO2。在一个晶体单元中有三。在一个晶体单元中有三个硅离子个硅离子 Si4+ Si4+和六个氧离子和六个氧离子 O2- O2-，后者是成对，后者是成对的。所以一个硅离子和两个氧离子交替陈列。的。所以一个硅离子和两个氧离子交替陈列。 电偶极矩：电荷电偶极矩：电荷q q与间距与间距l l的乘积。的乘积。P=qlP=ql 矢量，方向由负电荷指向正电荷。矢量，方向由负电荷指向正电荷。1 1未受外力作用时未受外力作用时, , 正、负离

15、子正好分布在正六边形的顶角上正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, , 构成构成三个互成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1P1、 P2 P2、P3P3。 如图如图 a a所示。所示。 P1+ P2+P3=0P1+ P2+P3=0。正负电荷中心重合，呈中性。正负电荷中心重合，呈中性。2 2受受x x轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时, , 晶体沿晶体沿x x方向将产生紧缩变形方向将产生紧缩变形, , 正负离子的正负离子的相对位置也随之变动。如图相对位置也随之变动。如图 b b所示所示, , 此时正负电荷重心不再重合此时正负电荷重心不再重合, , 电电偶极矩在偶极矩在x x方向

16、上的分量由于方向上的分量由于P1P1的减小和的减小和P2P2、P3P3的添加而不等于零的添加而不等于零, , 即即P1+P2+P3P1+P2+P3 0 0 。 在在x x轴的正方向出现负电荷轴的正方向出现负电荷, , 电偶极矩在电偶极矩在y y方向上的方向上的分量仍为零分量仍为零, , 不出现电荷。不出现电荷。 P=ql x P=ql x方向方向l l减小减小3 3遭到沿遭到沿y y轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时, , 晶体的变形如图晶体的变形如图c c所示，所示， P1 P1增增大大, P2, P2、P3 P3 减小。减小。 在垂直于在垂直于x x轴正方向出现正电荷轴正方向出现正电荷,

17、 , 在在y y轴方向上不出轴方向上不出现电荷。现电荷。 P=ql y P=ql y方向方向l l减小减小 4 假设沿假设沿Z轴方向即与纸面垂直的方向上施加作用力，轴方向即与纸面垂直的方向上施加作用力， 由于晶体在由于晶体在X轴方向和轴方向和Y轴方向的变形完全一样，所以，正负电荷轴方向的变形完全一样，所以，正负电荷中心坚持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就阐明沿中心坚持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就阐明沿Z轴即光轴轴即光轴方向加作用力，晶体不会产生压电效应。假设对石英晶体的各个方向方向加作用力，晶体不会产生压电效应。假设对石英晶体的各个方向同时施加相等的作用力时如液体的压力，热应力等同时施加相

18、等的作用力时如液体的压力，热应力等,石英晶体也石英晶体也就坚持中性不变，所以石英晶体没有由于体积变形的压电效应。就坚持中性不变，所以石英晶体没有由于体积变形的压电效应。7.27.2压电元件的常用构造方式压电元件的常用构造方式1 1、并联方式、并联方式特点：输出电荷大，适宜测特点：输出电荷大，适宜测慢速信号，以电荷为输出的场所。慢速信号，以电荷为输出的场所。nqqUUnCC2 2、串联方式、串联方式特点：输出电压大，适宜以电压为输出，高输入阻抗的场所特点：输出电压大，适宜以电压为输出，高输入阻抗的场所qqnUUnCC7.37.3压电元件的等效电路与丈量电压电元件的等效电路与丈量电路路7.3.17

19、.3.1等效电路等效电路1 1、压电传感器中的压电晶、压电传感器中的压电晶体接受被测机械力的作用时，在体接受被测机械力的作用时，在它的两个极板面上出现极性相反它的两个极板面上出现极性相反但电量相等的电荷。显然可以把但电量相等的电荷。显然可以把压电传感器看成一个静电发生器，压电传感器看成一个静电发生器，如下图，如下图， 2 2、显然也可以把它视为、显然也可以把它视为一个极板上聚集正电荷，一个极一个极板上聚集正电荷，一个极板上聚集负电荷，中间为绝缘体板上聚集负电荷，中间为绝缘体的电容，其电容量为的电容，其电容量为当两极板聚集异性电荷时，当两极板聚集异性电荷时，那么两极板就呈现出一定的电压，那么两极

20、板就呈现出一定的电压，其大小为其大小为hAhAC0raaaCqU 压电晶体 电极 q q CaCaCa U QU=Q/CaQ=UCa（a）（b）压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表示为单压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度KuKu，后者，后者称为电荷灵敏度称为电荷灵敏度KqKq，它们之间可以经过压电元件或传感器，它们之间可以经过压电元件或传感器的电容的电容CaCa联络起来，即联络起来，即aquCKKauqCKK 7.3.27.3.2丈量电路丈量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出压电传感

21、器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此普通不能直接显示和的信号微弱，因此普通不能直接显示和记录。记录。 丈量时，需把压电传感器用电缆接丈量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用：于前置放大器，前置放大器作用： 一是放大传感器输出的微弱信号一是放大传感器输出的微弱信号 二是把它的高输入阻抗变换为低输二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗出阻抗根据压电元件的任务原理，前置放根据压电元件的任务原理，前置放大器有两种方式：一种是电压放大器，大器有两种方式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压压电元件的输其输出电压与输入电压压电元件的输出电压成正比，另一种是电荷放大器，出电压成正比，另一

22、种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。其输出电压与输入电荷成正比。 1. 1.电压放大器电压放大器 电压放大器的等效电路如下图，其中等效电阻电压放大器的等效电路如下图，其中等效电阻R R为为 等效电容等效电容 C C分别为分别为 假设压电元件遭到交变力的作用，假设压电元件遭到交变力的作用，f f 为为 式中式中 Fm Fm作用力的幅值。作用力的幅值。iaiaRRRRRicCCCaaCqu tFfsinm q Ca Ra Cc R i C i A Ca C R A Ua(a)(b) 假设压电元件所用压电资料为压电陶瓷，其压电系数为假设压电元件所用压电资料为压电陶瓷，其压电系数为d33d33

23、，那么在外力作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即那么在外力作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即 或或 式中式中 Um Um电压幅值，电压幅值， 假设将放大器输入端的电压假设将放大器输入端的电压uiui写成复数方式，那么可得写成复数方式，那么可得tCFdusinam33atUuasinmam33mCFdU)(j1jcai33iCCCRRfdU 的幅值 为 由上式可得输入电压与作用力之间的相位f为 令 为丈量回路时间常数，令 ，那么式 假设作用在压电元件上的力为静态力，即w0，那么前置放大器的输出Uim为零。由于电荷就会经过电荷放大器的输入电阻和传感器本身的走漏电阻漏掉。这也就

24、是从原理上决议了压电式传感器不能丈量静态物理量。 iUimU2ica22m33im)(1CCCRRFdURCCC)(arctg2icaRCCC)(ica1020m33im1RFdU0arctg2 当当ww时高频，那么放大器输入端的电压幅值为时高频，那么放大器输入端的电压幅值为 在实践运用中以为在实践运用中以为 w/w 0 w/w 0 1 1即即ww1 1 ，也就是，也就是作用力的变化频率与丈量回路时间常数的乘积远大于作用力的变化频率与丈量回路时间常数的乘积远大于1 1时，前置放大时，前置放大器的输入电压器的输入电压UimUim与频率无关。普通以为与频率无关。普通以为w/w 03w/w 03，可

25、以近似地看作，可以近似地看作输入电压与作用力频率无关。这阐明在丈量回路时间常数一定的条件输入电压与作用力频率无关。这阐明在丈量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器的高频率呼应是很好的，这是压电传感器的优点之下，压电式传感器的高频率呼应是很好的，这是压电传感器的优点之一。一。icam33imCCCFdU 2. 2.电荷放大器电荷放大器 fcfscCquU q Ca Cc gc Ci gf A Rf CfUscUsc AUa Ca Cc gc Ci gf Ui(a)(b) 为了便于分析，用图为了便于分析，用图b b的电压源代的电压源代a a的电荷源，由此可得的电荷源，由此可得用节点电压法用节点电

26、压法而而 ，代入可得，代入可得)j)()(j)(j )(ffsciiciciaiaCgUUCCggUCUUAUUsci)(j)1)(j(jciaciffaascCCCggACgAUCU 理想条件下，任务频率足够高，各导纳大于各电导时，即gi 0、gc0、gf0， ciafsc)1 (CCCACAqU 且放大器的增益且放大器的增益A A足够大时，足够大时，1+A1+ACf Cf Ca+Ci+CcCa+Ci+Cc ， 上式阐明，输出电压上式阐明，输出电压UscUsc正比于输入电荷正比于输入电荷q q，它的比例系数为，它的比例系数为1/Cf1/Cf，与任务频率无关。这就是电荷放大器的理想情况。，与任

27、务频率无关。这就是电荷放大器的理想情况。 压电元件本身的电容大小和电缆长短不影响或极少影响电荷放压电元件本身的电容大小和电缆长短不影响或极少影响电荷放大器的输出，这是电荷放大器的优点。输出电压只取决于输入电荷大器的输出，这是电荷放大器的优点。输出电压只取决于输入电荷 q q以以及反响电路的参数及反响电路的参数CfCf及及RfRf。普通反响电容。普通反响电容CfCf可选择的范围为可选择的范围为100100104pF104pF。ffsc)1(CqCAAqU 当任务频率很低时当任务频率很低时,gf,gf与与jwCfjwCf值相当，值相当，gfgf1+A1+A不能忽略；不能忽略；A A仍仍足够大，那么

28、式变为足够大，那么式变为 其幅值为其幅值为 该式阐明，任务频率很低时，输出电压该式阐明，任务频率很低时，输出电压UscmUscm不仅与外表电荷不仅与外表电荷q q有关，有关，而且与参数而且与参数CfCf、gfgf和和w w 有关，但与开环增益有关，但与开环增益A A无关。信号频率越小，无关。信号频率越小，CfCf项项越重要，当越重要，当ffffscjj)1)(j(jCgqACgqAUffgCfscm2CqU2f2fscm2CgqU 这是截止频率点的输出电压，增益下降这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB3dB时对应的下限截止频率为时对应的下限截止频率为 由上式可见，低频时电荷放大器的频率呼应

29、仅决议于反响电路参数由上式可见，低频时电荷放大器的频率呼应仅决议于反响电路参数RfRf和和CfCf，反响电阻，反响电阻RfRf还有直流反响功能。由于在电荷放大器中采用电容负反还有直流反响功能。由于在电荷放大器中采用电容负反响，对直流任务点相当于开路，故零漂较大而产生误差。为了减小零漂，使响，对直流任务点相当于开路，故零漂较大而产生误差。为了减小零漂，使放大器任务稳定，应并联电阻放大器任务稳定，应并联电阻RfRf。 ffffL2121RCgCf7.4 7.4 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 7.4.1 7.4.1 任务原理及特性任务原理及特性 1 . 1 .任务原理任务原理 丈量时，将传感

30、器基座丈量时，将传感器基座与试件刚性固定在一同，使传感器与试件刚性固定在一同，使传感器的质量块与试件有一样的运动并遭的质量块与试件有一样的运动并遭到与加速度方向一样的惯性力的作到与加速度方向一样的惯性力的作用。这样，质量块就有一个正比于用。这样，质量块就有一个正比于加速度的交变力作用在压电元件上。加速度的交变力作用在压电元件上。压电元件两个外表上产生交变电荷压电元件两个外表上产生交变电荷或电压。当试件的振动频率远或电压。当试件的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器低于传感器的固有频率时，传感器输出电荷或电压正比于作用力。输出电荷或电压正比于作用力。即即q = dijFq = dijF，由于

31、，由于 壳 体 弹 簧 质 量 块 压 电 片 输 出 端 x y m c k 基 座 （ b ） （ a ） maF madq11 2、灵敏系数 由于传感器输出电荷量与试件的加速度成正比，所以压电式加速度传感器的电荷灵敏系数KQ与电压灵敏系数KU分别为mdaFdaqK1111Qa11aQUCmdCKK 传感器的电荷灵系数和电压灵敏系数可以分别用目前惯用的单位pC/g和mV/g表示 如下图的压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量如下图的压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量m m、集中弹簧刚度集中弹簧刚度k k、和集中阻尼、和集中阻尼c c的一个单自在度二阶力学系统。其数学的一个单自在度二

32、阶力学系统。其数学模型为模型为 壳 体 弹 簧 质 量 块 压 电 片输 出 端 x y m c K 基 座 （ b） （ a） 式中式中m m 压电元件质量；压电元件质量； c c 等效阻尼系数；等效阻尼系数； k k 等效刚度系数；等效刚度系数； x x 质量块相对于基座位移的振幅；质量块相对于基座位移的振幅； a a 惯性力引起的加速度振幅即振动体加速惯性力引起的加速度振幅即振动体加速度的振幅。负号表示惯性力与加速度方向相反。度的振幅。负号表示惯性力与加速度方向相反。makxtxctxmdddd22 二阶质量弹簧系统的幅频特性和相频特性表达式二阶质量弹簧系统的幅频特性和相频特性表达式:

33、: 振动加速度引起质量块位移的幅值为振动加速度引起质量块位移的幅值为 质量块的位移滞后于加速度的相位角为质量块的位移滞后于加速度的相位角为20220202111ax200/1/2arctg 由于相对位移由于相对位移x x就是压电元件的变形量，在弹性范围内，假设就是压电元件的变形量，在弹性范围内，假设作用在压电元件上的惯性力为作用在压电元件上的惯性力为F F，压电元件本身的刚度系数为，压电元件本身的刚度系数为KYKY，那，那么有么有F = KYxF = KYx。因此而产生力。因此而产生力电转换，压电元件外表产生的电荷电转换，压电元件外表产生的电荷 于是有于是有 式子表示式子表示KQKQ与与w/w

34、0w/w0频率比的关系称为加速度传感器频率比的关系称为加速度传感器的频率呼应特性的数学表达式。的频率呼应特性的数学表达式。 xKdFdqijijYY1Kdaqaxij2022020Y/2/1/Kdaqij其频率呼应特性曲线如下图其频率呼应特性曲线如下图=10521 0.4 0.7070.50.3 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1.0 1.5 2 3相对灵敏度 ijYdKaq20 0.9 0.8 0.5 0.1 0.3 0.2 0.6 0.7 0.4 1.0 1.5 2.0 当当/0/0相当小时，式可写成如下方式相当小时，式可写成如下方式 20YijdKaq 可见，当传

35、感器的固有频率远大于振动体的任务频率时，传感器的电荷灵敏系数近似为一常数，根本不随任务频率变化，此为传感器的理想任务频率。由于压电式传感器具有很高的固有频率，只需放大器高频截止频率远大于传感器的固有频率，其高频上限由传感器的固有频率决议。所以压电式传感器的高频呼应特性特别好，频响范围宽。其低频呼应取决于输出回路的时间常数见电压放大器，时间常数越大，低频呼应性能越好。尤其是配用电荷放大器，时间常数t 长达105s，可用来测准静态力学量。 M (1) M M M (2) (3) (4) (6) (5) 7.4.3 7.4.3 压电式加速度传感器的运用压电式加速度传感器的运用 压电式加速度传感器具有

36、构造简单、压电式加速度传感器具有构造简单、体积小、质量轻、丈量的频率范围宽、动态体积小、质量轻、丈量的频率范围宽、动态范围大、性能稳定、输出线性好等优点。它范围大、性能稳定、输出线性好等优点。它是丈量振动和冲击的一种理想传感器。是丈量振动和冲击的一种理想传感器。 1 1用于小试件测试用于小试件测试 例如，在丈量飞机构件特别例如，在丈量飞机构件特别是薄板型小构件的振动时，为了不使构件是薄板型小构件的振动时，为了不使构件的振动失真，传感器的质量应尽能够地轻。的振动失真，传感器的质量应尽能够地轻。早期采用的电动式加速度传感器，因其本身早期采用的电动式加速度传感器，因其本身较重，给丈量带来较大的误差。

37、如今那么采较重，给丈量带来较大的误差。如今那么采用压电式加速度传感器，能较为准确地丈量用压电式加速度传感器，能较为准确地丈量出构件的振动。出构件的振动。 2 2中高温环境下的振动测试中高温环境下的振动测试 随着耐高温的压电资料的研制胜利，如今已研制出随着耐高温的压电资料的研制胜利，如今已研制出在在400400，甚至高达，甚至高达700700的中高温环境下运用的压电式传感的中高温环境下运用的压电式传感器。如航空发动机最大的振动普通发生在涡轮轴附近，这里器。如航空发动机最大的振动普通发生在涡轮轴附近，这里的温度高达的温度高达650650以上，且留给传感器安装的空间又很小。采以上，且留给传感器安装的

38、空间又很小。采用压电式加速度传感器丈量，它不仅耐高温、而且体积小，用压电式加速度传感器丈量，它不仅耐高温、而且体积小，能安装在涡轮发动机轴承机匣上，能相当准确的丈量出发动能安装在涡轮发动机轴承机匣上，能相当准确的丈量出发动机的最大振动。如今许多机种的发动机振动检测系统中都采机的最大振动。如今许多机种的发动机振动检测系统中都采用了压电式加速度传感器。用了压电式加速度传感器。 3 3冲击和振动测试冲击和振动测试 冲击和振动是自然界和消费过程中普遍存在的景象，冲击和振动是自然界和消费过程中普遍存在的景象，几乎每一种机械设备和建筑都存在振动问题。由于振动景象几乎每一种机械设备和建筑都存在振动问题。由于

39、振动景象和构成机理复杂，所以在察看、分析、研讨机械动力系统产和构成机理复杂，所以在察看、分析、研讨机械动力系统产生振动的缘由及规律时，除实际分析外，直接丈量一直是一生振动的缘由及规律时，除实际分析外，直接丈量一直是一个重要的必不可少的手段。例如，机床任务时产生振动，不个重要的必不可少的手段。例如，机床任务时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低消费效率和刀具的耐用度，振动猛烈时还会降低机床的运低消费效率和刀具的耐用度，振动猛烈时还会降低机床的运用性能。经过动态实验，采用压电式加速度传感器进展检测，用性能。经过动态实

40、验，采用压电式加速度传感器进展检测，模态分析，可充分了解各种机床的动态特性，找出机床产生模态分析，可充分了解各种机床的动态特性，找出机床产生受迫振动，爬行以及自激振动颤振的缘由，从中寻觅出受迫振动，爬行以及自激振动颤振的缘由，从中寻觅出防止和消除机床振动的方法和提高机床抗振性能的途径。还防止和消除机床振动的方法和提高机床抗振性能的途径。还有如车辆道路模拟实验，火车环境振动丈量分析，人体的动有如车辆道路模拟实验，火车环境振动丈量分析，人体的动态特性研讨等很多方面，压电式加速度传感器都有着广泛的态特性研讨等很多方面，压电式加速度传感器都有着广泛的运用。运用。7.5 7.5 压电式压力传感器压电式压

41、力传感器7.5.1 7.5.1 压电式压力传感器的原理压电式压力传感器的原理1 1、任务原理、任务原理 当压力当压力p p作用在膜片上时，作用在膜片上时，将在压电元件上下外表上产生电荷，将在压电元件上下外表上产生电荷，电荷量与作用力成正比电荷量与作用力成正比q = Fdijq = Fdij。 由上式可知，输出由上式可知，输出 电荷量与输入压力成正比电荷量与输入压力成正比 关系，普通压电式压力传关系，普通压电式压力传 感器的线性较好感器的线性较好 pSFijpSdq 引线插针绝缘体壳体压电元件 膜片绝缘体 p 2 2、灵敏系数、灵敏系数 压电式压力传感器的灵敏系数是压电式压力传感器的灵敏系数是指

42、其输出电荷量电荷或电压与输入量指其输出电荷量电荷或电压与输入量压力的比值，也可以分别用电荷灵敏压力的比值，也可以分别用电荷灵敏系数和电压灵敏系数来表示。系数和电压灵敏系数来表示。 电荷灵敏系数电荷灵敏系数 电压灵敏系数电压灵敏系数pqKqpUKUa 由式由式 知，电荷灵敏系数也可表示为知，电荷灵敏系数也可表示为 由于由于Ua=q/CaUa=q/Ca，所以电压灵敏系数也可下式表示，所以电压灵敏系数也可下式表示 由以上分析可知，为了提高压电式压力传感器的灵敏度，由以上分析可知，为了提高压电式压力传感器的灵敏度，应选用压电系数大的压电资料做压电元件。此外也可以加大压电应选用压电系数大的压电资料做压电

43、元件。此外也可以加大压电元件的受力面积，添加电荷量的方法来提高灵敏度。但是，增大元件的受力面积，添加电荷量的方法来提高灵敏度。但是，增大受力面积不利于传感器的小型化。因此，普通采用多片压电元件受力面积不利于传感器的小型化。因此，普通采用多片压电元件叠加在一同，按电容的串联和并联衔接方式来提高传感器的灵敏叠加在一同，按电容的串联和并联衔接方式来提高传感器的灵敏度。度。ijpSdq SdKijqaCSdkijU 7.5.2 7.5.2 压电式压力传感器的构造及运用压电式压力传感器的构造及运用 压电式压力传感器可测任务频率压电式压力传感器可测任务频率1010105Hz105Hz的动态压力，幅值可达的动态压力，幅值可达104104109Pa109Pa。 1 1、压电式压力传感器的构造