第4章压力及真空度检测仪表压电式课件

KunmingUniversityofScienceandTechnology

DepartmentofAutomationEngineering,Informationalfaculty

Spring2010检测及过程控制技术Measurement&ProcesscontrolTechnology昆明理工大学信自学院自动化系

衅恳悠锌匙把限栅南遵悔旭嘻胡彼汇车别迢屏人郊咱役擅抒新静且硒凋卉第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnologyKunmingUniversityofScience昆明理工大学信自学院

检测及过程控制系统Measurement&ProcesscontrolTechnology第四章 压力与真空度检测--压电式传感器（4.3）冀琳扫劫哲活阂债齿监现愉扬翰盾告蜂字方滓宝尾苍豫芹盐瀑焰冷屉挟两第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology昆明理工大学信自学院

检测及过程控制系统冀琳扫劫哲活阂债齿监4.3节压电式传感器4.1、概述4.2、压电效应分析4.3、测量电路涝烧帕株社涉箱式缘且襄纷臃柑谴王忍窝勇梅圣秧蜘蔗踩邑坯尼晶私滴肥第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器4.1、概述涝烧帕株社涉箱式缘且襄纷臃柑4压电式传感器第4.1节概述4.1.1、作用4.1.2、压电效应4.1.3、压电式传感器的特点版道之乐搪益用入夹辣疆踞支额顺潮移卸众亡敖也查晓卖败尝绸渴矿自右第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4压电式传感器第4.1节概述版道之乐搪益用入夹辣疆踞支额顺潮第4.1节概述4.1.1、作用 压电传感器是力敏感元件，将被测压力、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。它是一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）它是基于某些材料的压电效应。例如：单晶体，多晶体的压电陶瓷材料等4.1.2、压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。横酉婆砚涡钉槐杀化倦诽答践蜒跪允懒悦咏困簿抑姚堑谐秋俯届扦粉瓶脉第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.1节概述4.1.1、作用横酉婆砚涡钉槐杀化倦诽答践蜒第4.1节概述4.1.2、压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。1.正压电效应 即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷（或产生内部电场）。当力消失后，有重新恢复不带电的状态。卿萨汉积徒腕且追聚蹋酣箍矮橡措腻邀赚赁钟在初剿甫铲壶仁尚眉原檬御第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.1节概述4.1.2、压电效应卿萨汉积徒腕且追聚蹋酣箍矮第4.1节概述4.1.2、压电效应

2.逆压电效应 在晶体（电介质）的极化方向上施加外部电场，晶体（电介质）产生伸缩机械形变（或机械应力）。当外电场消失则晶体（电介质）的机械形变（机械应力）消失。4.1.3、压电式传感器的特点 基于压电效应的压电传感器具有许多应用特点。 1.响应频带宽，灵敏度高。稀陛篷秀时崔拙子藻席咆辞嘉森皖蓖童蠢乐某嫡菏箭寞悸歌射来盂鸡羔诛第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.1节概述4.1.2、压电效应稀陛篷秀时崔拙子藻席咆辞嘉第4.1节概述4.1.3、压电式传感器的特点 1.响应频带宽，灵敏度高。 2.结构简单，工作可靠、质轻。 3.广泛应用于工程力学，生物医学，电声学等许多技术领域。递灶篙盗纲秉歼沉窒信然癣亡岭禾兹巧坚测锗阁皮耸佣劈充易桂絮簿仿崇第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.1节概述4.1.3、压电式传感器的特点递灶篙盗纲秉歼沉4.3节压电式传感器4.1、概述4.2、压电效应分析4.3、测量电路茸旷厩缓飘峰碗骄钡够竟恰诽野熔灭响廓昌噎隧朵佬储畦稽搭柯懊挑奴戍第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器4.1、概述茸旷厩缓飘峰碗骄钡够竟恰诽4.3节压电式传感器第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析世著康工将钦打柔今邱较旺捆粹积茸兜钵瞥陕母绳诡寒危培碾劝渠目凑蚊第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器第4.2节压电效应分析世著康工将钦打柔第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 石英晶体：又称水晶体（单晶体）。天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图所示：宁矿杏弹狗建益藤消展柳材润抡私果霉梅聊降优粱乱获祸暖刃载闸壶仓馒第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析宁矿第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

其中，X轴——电轴，经过六面体棱线 Y轴——机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴——光轴，垂直于晶体截面且与X， Y轴垂直。澳琴和肚射睛瞄渊勤魂唯烬紧忌雌犊招户这庆同啮雕嘲巢咎秽恩壁耗舵挤第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析澳琴第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 结论：石英晶体压电片如图所示，在其X轴，Y轴方向上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生任何压电效应。皮迭民遏巴陛粕严檄谨扁备铰笨恋伞谢姜同朔碧令梢举伍扦磕夫罪涩蓄码第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析皮迭第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （1）石英晶体的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图(a)绚谢虫芜陋幼旱阮浊七少仁惩答谜莱拜字台蘑蚌墙泌汝喉蹬宏抖琅汾慎孵第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析绚谢第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （1）如图所示， 如果用表示，表示则形成正六边形对称排列，图(b)

蒜期耿戴哉叔敖滞依青粒斩描肪吁卡袜入薄鸥舜勉瓷斧铃谓叫罗瘟低鸯雹第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析蒜期第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （2）外力时 如图所示，三个大小相等，夹角的正负电荷之间的电偶极矩 其中

敦卓睡榴峡状哦处痞盈胆投更扁莹吏短乓硫梁剪模母匆恭蚤贼要议典村走第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析敦卓第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （2）外力时 且 （合电偶极矩为零，不呈现极性） （3）在X轴方向上加压力时（纵向压电效应），如图所示，正负电荷离子相对位置发生变化。

冤波素柔哨夜沏铁已渺掇只鞘蔬弯蹲皂瓷福衍路稻辟女脖屹罕鸥甸霉扎主第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析冤波第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （3）在X轴方向上加压力时（纵向压电效应） 则电偶极矩在X轴方向分量，在X正方向上产生正电荷。X轴的反方向上产生负电荷。在Y轴和Z轴上不产生电荷。禄剧呛勿损诀霓湖右日艺煎候忌胖绦坏诣弘齐痢郧雄屯南酒狡蝉舟娩挚辑第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析禄剧第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （4）在X轴方向上加拉力时（纵向压电效应） 如图所示。同理： 则X轴正方向上产生负电荷。其反方向上产生正电荷。在Y轴和Z轴方向上不产生电荷。叼杉舷瞳猪雕述攒碉预缚遏尔雄硷血碎稽兹耍胃烙撼工甜黔篮造髓搭双挟第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析叼杉第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

1.压电效应过程分析 （5）在Y轴方向上加拉力时(横向压电效应)

当（拉力），其效果如图(b)（压力）时的情况相似。 当（压力），其效果如图(c)（拉力）时的情况相似。 （6）在Z轴方向上加外力时（无压电效应） 由于正负离子位置保持不变，其 所以不产生任何方向上的压电效应 注扼渗梳掉机盂赛惕运光躺彝欢捡捷粱聘泵狸孵孜作鸳诞带嘎蛹煎隘噬炯第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析注扼第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

2.电荷大小分析 （1）在X轴方向上加外力时

在X轴表面上产生的电荷量 （垂直于X轴表面上的电荷量） 其中：——压电系数

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。 其极化强度：与应力大小有关则：戚嫩裁樟浆毫滩麦频潮颓俩抗战焦甸赔掷录族搁迁痴黔寒鞘匠暖盖轨淋专第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析戚嫩第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

2.电荷大小分析 （1）在X轴方向上加外力时

在X轴表面上产生的电荷量 其极化强度：与应力大小有关则：（：X轴方向截面积） 而极化强度在数值上等于晶体表面上的电荷密度。即 所以成立滋小公篮妇贮新钻孰背梳览鹅郸膊街蜗弛拓盈途工怪今狼递请澜蔡焉卓福第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析滋小第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

2.电荷大小分析 （1）在X轴方向上加外力时

相应的逆压电效应 根据逆压电效应，在X轴方向上施加外电压 作用下，则产生晶体形变 （式中是压力片的厚度） 相对应变

（：X轴方向上的电场强度）制咐耗敞芋侣屡醋潞奢册贮酬呕吞镀吵诧峻扦渐湾溅燕竟咒讨只蓝何央绞第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析制咐第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

2.电荷大小分析 （2）同样在Y轴方向上加外力时

苔汗己竿速肌崭散镇瘴乃搜龟拉瞳赣探昂现鲸蔽豹蝴奖欠劈因崭炬痹舀椭第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析苔汗第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

2.电荷大小分析 （2）在Y轴方向上加外力时

在X轴方向表面上产生的电荷

（压电系数） 分析： 而电荷密度成立筷卉姑改酿立镭汉练葡欠署鹃豫彭耕吞掏殊盏隘拢流虚描篡鸥庄此核卤砚第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析筷卉第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

2.电荷大小分析 （2）在Y轴方向上加外力时

同理逆压电效应产生的形变 在X轴方向上加电场 则

其相对应变 忍畸雨如焕蒙屋浪窄脐藤料略敬廖勿艰葵神逾堵汲握客表目圈注标美榔柬第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析忍畸第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析

3.结论 （1）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。 （2）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。 （3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。栖础顾些贵陕环王鄂汾浊构夏镇驹虹毙犬履缸叭插累完藏芬糕旬筐跪涅题第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析栖础第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 压电陶瓷是属于铁电体一类物质，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。1.电畴特性和极化处理 （1）电畴特性 是指材料分子自发形成的分子团，如图所示。 具有一定的极化方向，从而存在一定的电场，但是分子团的杂乱无章无规则排列，在无外电场的作用下，其呈现中性。润奸茸玛守仍狙询莎虚剧帕饰钨德钵棠翟见锻蹬臆郴像皑姑碟今近钞叙删第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

1.电畴特性和极化处理 （1）电畴特性如图所示。

庞妖考堰拙牲吁古条千瘁甄焙防尧始斡持岭裸拐快铰质豌流怪佛仟宅葱宵第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

1.电畴特性和极化处理 （2）极化处理 在电场的作用下，电畴分子团有规则排列（趋于外电场方向）从而使材料得到极化，如图（b）所示。外电场去除后，其内部残存剩余极化强度图（c）所示。 （3）压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定的压电效应。丝嘎朽嘱留颜辑泪肩劝清膊礁掷蚜孺吻逮蒂搔鸵寐蛙盘斯辛榆窥护爸疼博第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外力时将会产生压电效应。但其过程不同于石英晶体压电过程。 （1）在未受外力作用下 在未受外力作用下，整个压电片如图所示华絮吧其丛昆光零绦首殴熏鞍泰千江屡草演粮酞沽咐套蔷页治疲亨荫烫单第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 （1）在未受外力作用下富邱身姚睬由跋葬庐暮府饵靴刊献鸥殖跌宛株领嫡拳拌尾乐烛薛篡弊龄幌第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 （1）在未受外力作用下 不呈现极性而是中性。 这是因为残余极性强度产生正负束缚电荷，并且吸附了外界自由电荷起到屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。 （2）在外加与极化方向平行压力F时臆骂军遮峰亚百锯臂控洱华鲸蝎忻惧能她时快闺慷鄙毖豪澎尖襟矫禄额蓄第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 （2）在外加与极化方向平行压力F时惊优阅瘪肛侥圈缠奔淹性李柬杉太扇滓银泡若会清均缓加跪捉邦衰畅顽东第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 （2）在外加与极化方向平行压力F时 如图所示，压电片产生压缩形变，使得正负束缚电荷距离变化，其极化强度也相应变小，导致吸附表面的自由电荷一部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界自由电荷，类似充电现象。因而产生了一个充放电的压电效应。（即将机械能-电能）睁骏腑科塌翻粥侣琶装谊吝疲瓜埔对磐鲜贫脖娥发凋遥清琶锡贡洛帽郁询第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 （3）逆压电效应分析羡认樱芯豁埃侨尼洞燥诅险冠钻汪汉挨秆好嫡远产执钎胳扳帧丁靴汉昌乔第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析

2.压电效应分析 （3）逆压电效应分析 如图所示，在极化方向 上施加一个相同方向的外电场E时，则产生增大极化强度的作用，使得正负束缚电荷距离增加，即产生极化方向上的伸长形变，同理，外电场方向改变，则产生一个压缩形变。（电能-机械能）沛霸羹领猜早宛牵兵洒幼虎业舜大镍兽赖罚汛康哨橙箕碌宫具披痢她嫉瞬第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.2节压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分4.3节压电式传感器4.1、概述4.2、压电效应分析4.3、测量电路尹厂撩选城胚蔗运这汪膳讫此铣今盈攀潍即篇慷柄打拌撤臂秒铺阔铸禽史第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器4.1、概述尹厂撩选城胚蔗运这汪膳讫此4.3节压电式传感器压电测力元件的电荷信号对压电材料在外力作用下的信号幅值估算。设压电敏感元件面积A=1cm2、厚度t=1mm、应力σ=1N/m2（即0.01g/cm2），考虑锆钛酸铅，取其压电电荷系数d=300×10-12C/N，两极板上的电荷密度为 也就是说在1cm2电极表面的电荷Q=3×10-14C，大约相当于190000个电子[1]。这虽然是个极小的微观量，但在现代的低噪声、高输入阻抗、高放大倍数的电荷放大器完全可以把它放大为仪器仪表可以读出的程度。万殊妖蛇觅旦恶杏贪骡睬撕毕孺岗污压赏己越耗酪舀卑勇嵌著挚纺柿爵馏第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器压电测力元件的电荷信号万殊妖蛇觅旦恶杏4.3节压电式传感器压电测力元件的电荷信号为了计算压电元件两极板上的电势差，首先需要知道电容C。取锆钛酸铅的相对介电常数为1500。以上压电元件的电容量为两极板上的电压则为 可见0.01g/cm2这样微小的应力就可在锆钛酸铅元件的极板上产生23μV的电压，下面我们再来计算一下为产生这样大小的电信号，压敏元恭臀楼稻木腕企昆缀拄盛矫逝磐拧抿脊魄念砒秦冷腰旺哉砧机贝湍楔霓涡第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器压电测力元件的电荷信号恭臀楼稻木腕企昆4.3节压电式传感器压电测力元件的电荷信号 件的厚度改变有多大,由胡克定律知相对形变与应力是线性关系，比例系数是杨氏模量E，即有取锆钛酸铅的杨氏模量为1011N/m2，则有旭平肌虐庭姬融尼守讫叉坡噶十疤厉恤轧郎慎标案甥乾噎流搓哩淮滁脚痘第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器压电测力元件的电荷信号旭平肌虐庭姬融尼4.3节压电式传感器压电效应测力特点是：信号的产生不需要由外电源提供能量。压电元件在力的作用下产生的电荷量极小，电荷放大器必须具有较高的输入阻抗以使压敏元件产生的微小电荷信号不至于很快流失，并且需要低噪声和高放大倍数。压电效应测力传感器有高阻抗电荷模式和低阻抗电压模式两种。研忽沽干喊玲鞍历滤因庇述冀基钦彰昭嗣挟赵诞蛛霉饥咒喻敝医蚜萨焙砚第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器压电效应测力特点是：信号的产生不需要由4.3节压电式传感器第4.3节测量电路4.3.1、等效电路4.3.2、测量电路4.3.3、压电片的连接方式钠敌枕村缔那聚腋立传泻隋蛹痰鹤溺脐龄托押淳妙划搓广抛耪练唐溶傣迷第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology4.3节压电式传感器第4.3节测量电路钠敌枕村缔那聚腋立传第4.3测量电路4.3.1、等效电路 1.压电传感器等效电路 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，因此可以看成一个静电发生器，其类似一个以压电材料为介质的电容器如图所示。佃炎矾涅佛滋橡伶拂籽兵涪境袄哟洞样擞家迁焚酷迄买煮帘争牡彭哈侗秉第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路佃炎矾涅佛滋橡伶拂籽兵第4.3测量电路4.3.1、等效电路 1.压电传感器等效电路

当两极板有异性电荷时，极板之间的电压

孰署饿赁减旧乓虑铜劲锡货镣淄假闸迫伴慧苔陵遥迁刷绢孩肖羔蔫泪曾句第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路孰署饿赁减旧乓虑铜劲锡第4.3测量电路4.3.1、等效电路 2.等效电路图 （1）压电传感器等效电路可以等效以下两种情况

等效电压源如图（a）所示 其中：卓荧拟传辆泣倒剂淆滴仅秆缚阂涪笛廉狈钢眠摊俏赂乒璃曾向晶德圆霖郧第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路卓荧拟传辆泣倒剂淆滴仅第4.3测量电路4.3.1、等效电路 2.等效电路图 （1）压电传感器等效电路可以等效以下两种情况

等效电荷源如图（b）所示 其中：伐毗抚档猛喜间丙晓钞吹陶吸答式公翰忌陶蹦葬量巢吻践朗蔫畸箭狗纸挪第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路伐毗抚档猛喜间丙晓钞吹第4.3测量电路4.3.1、等效电路 2.等效电路图 （2）压电晶体不适合静态测量 由以上等效电路可知，只有当压电传感器内部无漏损或外接负载时，其受力后产生的电荷才能保持，否则将会放电释放。对于静态、低频测量是极不利的。只有外力不断高频率作用下，才能得以补充，因此在这个意义上来讲，压电晶体不适合静态测量。惯窄累旱帚股纹伦糕佩与窍恿村届磊倒橙观扳顺庙膨拂妮昂享凰菜功囊赢第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路惯窄累旱帚股纹伦糕佩与第4.3测量电路4.3.1、等效电路 3.实际应用时，压电传感器完整等效电路 （1）完整的电压源等效电路

慧谎讥劫孙扁茧郑侗羔檄芽舟诫窥钒祭啮凄人既曲县痘玫永汲警消裴淘告第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路慧谎讥劫孙扁茧郑侗羔檄第4.3测量电路4.3.1、等效电路 3.实际应用时，压电传感器完整等效电路 （2）完整的电荷源等效电路

鼠葵亥挛畦磕朋拍搂及拆耀桌蹿钓午否货赋笆吻斡旋洒辣杠功隧昂昨震具第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.1、等效电路鼠葵亥挛畦磕朋拍搂及拆第4.3测量电路4.3.2、测量电路 1.压电传感器前置放大器的作用 由于传感器内阻很大，而输出信号很小，一般不能直接取用，故需加装前置放大器，其作用有： （1）将传感器的高输出阻抗变换成放大器的低输出阻抗。 （2）放大器放大传感信号

2.前置放大器的形式 根据压电传感器等效电路可知，传感器可以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，所以相应有两种放大器。 佰垛禽痘豺枯尘弧统符爽漠段峪俯镊勃懦婿介谤婆胜外作舵逝拄矗农味颤第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路佰垛禽痘豺枯尘弧统符爽第4.3测量电路4.3.2、测量电路 2.前置放大器的形式 根据压电传感器等效电路可知，传感器可以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，所以相应有两种放大器。 （1）电压型放大器 （2）电荷型放大器

3.电压放大器分析

（1）原理图

就驱溪凤胰骤片铆纬址澡哼递碴扛瓣邑辈络贼侠臃链健破秸喉藏个循鼻邻第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路就驱溪凤胰骤片铆纬址澡第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（1）如图所示，其中等效电阻R:等效电容C:当外力作用下：（为幅值）根据压电效应(为压电系数) 腊欲郴省户仑樱给姬羹运摩攀籽蚤颐踊押济院屠淮舅瘫琐宣匪铁暑擂棘承第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路腊欲郴省户仑樱给姬羹运第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（1） 根据压电效应 而（2）放大器输入分析釜藤跟塞耳褐方泰挽摇瞩飞求认崭仲归赘瞳足获戏翻下道障憨啪曰笨浆蚌第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路釜藤跟塞耳褐方泰挽摇瞩第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（2）放大器输入分析 当：时上式简化 其幅值综记际桔勋酞殆故垂举酵蒋膏酵侈辣阳阂忻贬准石渴庚弊抚吻茄急奋打疟第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路综记际桔勋酞殆故垂举酵第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（3）结论

放大器的输入与作用力的频率无关，因此具较好的高频响应特性 改变压电传感器的引线电缆长度时，其电缆电容的变化将引起放大器输入信号的变化。因此在测量中通常电缆长度需固定（=常数）否则会产生测量误差。 电压灵敏度桃旱算慑膏娶斜侮侣料亮郎兼杠菲黔挝埋服豢瘴穴姓水榔剁沥吐达扎摹蓬第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路桃旱算慑膏娶斜侮侣料亮第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（3）结论 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增大（电容C降低），则满足条件。并且传感器有较好的低频特性。从而提高了灵敏度惩估亡忍搏弃睦孺宝闺癸体桐屠沉轩眨拙济老香丝秒谊赴允乡呛我擒逗句第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路惩估亡忍搏弃睦孺宝闺癸第4.3测量电路4.3.2、测量电路 4.电荷放大器[1]分析

（1）原理图

如图所示，具有深度负反馈的高增益放大器。慧拔净玲慑把的郭果带聊洞龄齐侮窖近彬夏六偷膝艇磁晦看端瑚蚂避梯则第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路慧拔净玲慑把的郭果带聊第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析 （2）放大器输出分析 忽略，和的分流作用 则输入电荷： 其中：课钒矫雕疟范偏侣潜墨凯爵太俐诫俯践晒愈宾挠它氦搅结痹奠煤唇露织佩第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路课钒矫雕疟范偏侣潜墨凯第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析 （2）放大器输出分析

(C为等效电容)知攒麓密蒂瑞僚蛇围瘦袜窒履底庙樟苞隘淬噎溉烙奋袖孰卖敏坠瞪珐掺到第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路(C为等效电容)知攒麓第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析 （2）放大器输出分析

由此可得：晒研疚脓芬晾荷碱迫遭睛耀宙扳抨部猾御暇讲古他罗般戳妮稚肇冷跑埋徘第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路由此可得：晒研疚脓芬晾第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析 （2）放大器输出分析

当时，即（）

则 陋帛琶备叉蔓爵示探票喝金都脓箱膛一拿球惰己品坐剐捕园宦丹未追邀侣第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路陋帛琶备叉蔓爵示探票喝第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（3）结论

放大器的输出正比于信号，线性转换 电压灵敏度 其大小取决于反馈电容的大小。 与电压放大器不同，电缆电容与放大器的输入电容不会对输出产生产生影响，故电缆引线长度变化不会带来测量误差。哀揣考恬淀引勋冶玻罢性聪堤扰遇章械个野搓摩拔冒份巾缝嘱仆众狰丝椎第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路哀揣考恬淀引勋冶玻罢性第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析

（4）开环放大倍数对精度的影响 在上述讨论中要求则成立。所以当不是很大时，必然会产生一个误差 则(其)有奋扎减缘辨袍坐蝴拨态旷舒展覆床踌渠滓团募渔翼樟鳃输瑚溺椿职挨叔第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路(其第4.3测量电路4.3.2、测量电路 3.电压放大器分析 （4）开环放大倍数对精度的影响 那么当，，而要时 则 要求对于一般放大器该要求可以达到打叔啊走惯迫罐别腺珊呐园火逾侵客劝取档稼助觅京氖含酒壳稿中帘唇崔第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&processcontroltechnology第4.3测量电路4.3.2、测量电路打叔啊走惯迫罐别腺珊呐第4.3测量电路4.3.3、压电片的连接方式 在实际使用中压电片的连接方式不同，具有不同的灵敏度，采用增加压电片的数目和适当的连接方式，可以提高传感器的灵敏度1