传感器压电式

1、11第第4章章 压电式传感器压电式传感器22第第4章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器利用压电材料的压电效应实现能量的转压电式传感器利用压电材料的压电效应实现能量的转换换 当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。机械能转变成电能。 利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量。能转变成力的各种物理量。 由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向施加电场，它就会产生变形，因此压电传感器是双向施加电场，它就会产生变形，

2、因此压电传感器是双向传感器。传感器。33第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.1 压电效应与压电常数 4.1.1 4.1.1 压电效应压电效应正压电效应：正压电效应：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。逆压电效应：逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它

3、们就会在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形，这种现象称为产生变形，这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”，或称为，或称为“电致电致伸缩效应伸缩效应”。压电材料压电材料: :具有压电效应的材料称为压电材料。具有压电效应的材料称为压电材料。 44第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.1.2 压电常数压电常数 设有一用晶体制成的压电元件受到力设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其作用，在其相应表面上产生表面电荷相应表面上产生表面电荷Q，力，力F与电荷与电荷Q之间存在如下之间存在如下关系关系 )( = dqFdQ式中式中 d 压电常数。压电常数。4.1 压电效应与压电常数 55第第4章

4、章 压电式传感器压电式传感器 不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到 =jiijjqd式中式中 j方向受力时在方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度方向上电荷积累的表面密度( (即沿即沿i方向的极化方向的极化强度强度) )； jiq 沿方向沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；施加外力时，单位面积上感受的应力； j 压电常数（压电常数（j方向受应力，在方向受应力，在i方向产生电荷时的压电常数）。方向产生电荷时的压电常数）。ijd4.1 压电效应与压电常数

5、 66第第4章章 压电式传感器压电式传感器 dij压电常数有两个下脚注压电常数有两个下脚注: :第一个脚注第一个脚注表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于直于x轴（轴（y轴或轴或z轴），记作轴），记作i=1（或（或2或或3）。）。 第二个下脚注第二个下脚注j=1或或2、3、4、5、6，分别表示在沿，分别表示在沿x轴、轴、y轴、轴、z轴方向作用的正应力和在垂直于轴方向作用的正应力和在垂直于x轴、轴、y轴、轴、z轴的轴的平面内作用的剪切力。平面内作用的剪切力。 晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列

6、方程组决定：方程组决定： +=+=636535434333232131362652542432322212126165154143132121111ddddddqddddddqddddddq=4.1 压电效应与压电常数 77第第4章章 压电式传感器压电式传感器 式中式中q1、q2、q3分别分别为在垂直于为在垂直于x轴、轴、y轴和轴和z轴的表轴的表面上产生的总的电荷密度；面上产生的总的电荷密度； 1、 2 、 3表示晶体分别沿表示晶体分别沿x x轴、轴、y y轴、轴、z z轴方向轴方向所受的外力分量产生的拉或压应力；所受的外力分量产生的拉或压应力； 4、 5、 6为剪切应力分量。为剪切应力分量。

7、 晶体（压电材料）的压电特性可以用它的压电常数晶体（压电材料）的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下：矩阵表示如下： 363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd4.1 压电效应与压电常数 88第第4章章 压电式传感器压电式传感器得到石英晶体的正压电效应张量表达式为得到石英晶体的正压电效应张量表达式为 则石英晶体的压电常数矩阵为则石英晶体的压电常数矩阵为 =321qqq65432100011020d1400d1400d1100d1100d00002011d0014d0014d0011d0011d4.1 压电效应与压电常数 99第

8、第4章章 压电式传感器压电式传感器 压电常数压电常数dij的物理意义是：在的物理意义是：在“短路条件短路条件”下，单下，单位应力所产生的电荷密度。位应力所产生的电荷密度。“短路条件短路条件”是指压电元是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在形上不存在“二次效应二次效应”的理想条件。压电常数的理想条件。压电常数d有时有时也称为压电应变常数。也称为压电应变常数。 4.1 压电效应与压电常数 1010第第4章章 压电式传感器压电式传感器其它的压电常数其它的压电常数:即压电常数即压电常数g和和h。它们的物理意义为：。它们的物理意义

9、为： 压电常数压电常数g：它表示在不计它表示在不计“二次效应二次效应”的条件下，的条件下，每单位应力在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也每单位应力在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也称为压电电压常数，数值上等于压电常数称为压电电压常数，数值上等于压电常数d除以晶体除以晶体的绝对介电常数，即：的绝对介电常数，即： 0=rdg 压电常数压电常数h：它表示在不计它表示在不计“二次效应二次效应”条件下，条件下，每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。因而每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。因而h常数应关系到压电晶体材料的机械性能参数，数值上常数应关系到压电晶体材料的机械性能参数，数值上等于压电常数

10、等于压电常数g和晶体的杨氏模量和晶体的杨氏模量E的乘积：的乘积：gEh =4.1 压电效应与压电常数 1111第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及压电元件结构形式 考虑以下几个方面的特性进行选择压电材料：考虑以下几个方面的特性进行选择压电材料： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的械强度高，机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；固有振

11、动频率； 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；期得到较宽的工作温度范围； 时间稳定性时间稳定性 : 压电特性不随时间蜕变。压电特性不随时间蜕变。 1212第第4章章 压电式传感器压电式传感器压电晶体分类：压电晶体分类：单晶体：石英晶体等单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等多晶体：压电陶瓷等4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及压

12、电元件结构形式 1313第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.2.1 石英晶体石英晶体1、石英晶体、石英晶体y(a)0 xz(b)图图4-1 石英晶体石英晶体定义：定义： x轴：与轴：与z轴垂直的平面上，通过轴垂直的平面上，通过相对两棱的直线；（有三个）相对两棱的直线；（有三个） y轴：与轴：与x轴、轴、z轴垂直的是轴垂直的是y轴；轴； z轴：晶体对称轴。轴：晶体对称轴。 x切割：截得的压电元件之两个端切割：截得的压电元件之两个端面与面与x轴相垂直；轴相垂直； y切割：截得的压电元件中的两个切割：截得的压电元件中的两个端面与端面与y轴相垂直。轴相垂直。xyz4.2 4.2 压电材料及压电元件

13、结构形式压电材料及压电元件结构形式 1414第第4章章 压电式传感器压电式传感器 压电晶体的三种压电效应xxFdQdFQ=11c)c)切向压电效应切向压电效应a)a)纵向压电效应纵向压电效应+ + + +- - - - b) b)横向压电效应横向压电效应- - - -+ + + +1515第第4章章 压电式传感器压电式传感器 石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20200范围内压电常数的温度变化率约是范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/，在温度较低时，压电常数的变化很小。在温度较低时，压电常数的变化很小。 居里点：居里点：573573 石英

14、晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。 机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。 4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及压电元件结构形式 1616第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.2.2 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。细微的单晶组成。1）极化前）极化前 “电畴电畴”4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及

15、压电元件结构形式 1717第第4章章 压电式传感器压电式传感器压电陶瓷的种类很多压电陶瓷的种类很多 : :钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷，即锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZTPZT系压电陶瓷系压电陶瓷铌镁酸铅压电陶瓷（铌镁酸铅压电陶瓷（PMN)PMN)铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷 需要指出的是，通常压电陶瓷如钛酸钡和锆钛酸需要指出的是，通常压电陶瓷如钛酸钡和锆钛酸铅都有明显的铅都有明显的热释电效应热释电效应。 4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及压电元件结构形式 1818第第4章章 压电式传感器压电式传感器（1）厚度变形（简称为）厚度变形（简称为TE方式）。方式

16、）。 利用石英晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷利用石英晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷密度或表面电荷以下式计算：密度或表面电荷以下式计算： xxxxdP=11xxxxFdQ11=或或4.2.3 压电元件的结构形式压电元件的结构形式F4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及压电元件结构形式 1919第第4章章 压电式传感器压电式传感器（2）长度变形（简称为）长度变形（简称为LE方方 式）。如图（式）。如图（b）所示）所示 ，利用石英的横向压电效应，计算公式为利用石英的横向压电效应，计算公式为 yyXXdP=12yyxxyyxxSSFdQ12=F4.2 4.2 压电材料及压电元件结

17、构形式压电材料及压电元件结构形式 2020第第4章章 压电式传感器压电式传感器 在图在图4-9（a）中，当自由端）中，当自由端受力时，它就产生形变，放大后受力时，它就产生形变，放大后的形变如图的形变如图4-9（b）所示。）所示。 在压电式传感器中，不少是利用纵向在压电式传感器中，不少是利用纵向压电效应的，这时所用压电元件大都为圆压电效应的，这时所用压电元件大都为圆形薄片。为增大输出，常采用多片结构，形薄片。为增大输出，常采用多片结构，最多可达最多可达8片。利用横向压电效应时，常片。利用横向压电效应时，常采用双片弯曲式结构。采用双片弯曲式结构。 4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料

18、及压电元件结构形式 2121第第4章章 压电式传感器压电式传感器（3）厚度剪切变形）厚度剪切变形 利用剪切压电效应的压电元件除采用图（利用剪切压电效应的压电元件除采用图（c）片状）片状结构形式外，常采用图结构形式外，常采用图4-10的管状压电陶瓷，这种结构的管状压电陶瓷，这种结构的极化方向有平行于轴线的和径向的两种。的极化方向有平行于轴线的和径向的两种。FF4.2 4.2 压电材料及压电元件结构形式压电材料及压电元件结构形式 2222第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.3.1 4.3.1 压电元件的等效电路压电元件的等效电路 压电元件是压电式传感压电元件是压电式传感器的敏感元件。当它受到外

19、器的敏感元件。当它受到外力作用时，就会在垂直于电力作用时，就会在垂直于电轴或垂直于极化方向的表面轴或垂直于极化方向的表面上产生电荷，在一个表面上上产生电荷，在一个表面上聚集正电荷，在另一个表面聚集正电荷，在另一个表面上聚集等量的负电荷。因此，上聚集等量的负电荷。因此，可以把压电式传感器看作一可以把压电式传感器看作一个静电电容器。个静电电容器。 tstsCra0=(b)(a)图图4-12 等效电路等效电路+ + + + +- - - - -银电极银电极压电压电材料材料QCa4.3 4.3 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路2323第第4章章 压电式传感器压电式传感器电容器上的电压电容器

20、上的电压Ua（开路电压）、电荷（开路电压）、电荷Q与电容与电容Ca之间存之间存在着以下关系：在着以下关系： aaCQU =1 1、等效电路、等效电路1 1）电荷源）电荷源 2)2)电压源电压源4.3 4.3 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路2424第第4章章 压电式传感器压电式传感器2 2、提高灵敏度的方法、提高灵敏度的方法1 1）并联法）并联法 2 2 ）串联法）串联法3 3 ）比较）比较 并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负载后时间常数大），宜用于以电荷作为输出量的场合，载后时间常数大），宜用于以电荷作为输出量的场合，相对来说允许

21、被测对象变化频率稍低。串联接法输出相对来说允许被测对象变化频率稍低。串联接法输出电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场合，要求后续电路有较大的输入阻抗。合，要求后续电路有较大的输入阻抗。4.3 4.3 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路2525第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.3.2 4.3.2 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路 1 1）测量系统框图）测量系统框图4.3 4.3 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路2626第第4章章 压电式传感器压电式传感器2）等效电路）等效电路4.3 4.3 压电式传感器的

22、等效电路压电式传感器的等效电路2727第第4章章 压电式传感器压电式传感器3）压电传感器的灵敏度）压电传感器的灵敏度 压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表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。前者称为电压灵敏示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度度Ku，后者称为电荷灵敏度，后者称为电荷灵敏度Kq，它们可以通过压电元，它们可以通过压电元件（或传感器）的电容件（或传感器）的电容Ca联系起来，即联系起来，即 aCKKQU=4.3 4.3 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路2828第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.4 4.4 测

23、量电路测量电路 1、引言、引言 由于压电传感器的输出信号非常微弱，一般将电信由于压电传感器的输出信号非常微弱，一般将电信号进行放大才能测量出来。但因压电传感器的内阻抗相号进行放大才能测量出来。但因压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的当高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。 传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。抗的前置放大器。 2929第第4章章 压电式传感器压电式传感器 前置放大器的主要作用是将压电传感器

24、的高阻抗前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。其次，也起放大传感器微弱输出变换成低阻抗输出。其次，也起放大传感器微弱信号的作用。信号的作用。 按照压电式传感器的工作原理及其等效电路，传按照压电式传感器的工作原理及其等效电路，传感器的输出感器的输出可以是电压信号，这时把传感器看作可以是电压信号，这时把传感器看作电压发生器电压发生器；可以是电荷信号，这时把传感器看作可以是电荷信号，这时把传感器看作电荷发生器电荷发生器。 4.4 4.4 测量电路测量电路 3030第第4章章 压电式传感器压电式传感器 前置放大器两种形式：前置放大器两种形式： 一种是一种是电压放大器电压放大器

25、，其输出电压与输入电压（即传感，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻器的输出电压）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻抗变换器；抗变换器； 另一种是另一种是电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。，其输出电压与输入电荷成比例。 主要区别是：主要区别是： 使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其是连续电缆长度变化更为明显。常敏感，尤其是连续电缆长度变化更为明显。 而使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽而使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计。略不计。

26、 4.4 4.4 测量电路测量电路 3131第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.4.1 电压放大器电压放大器 电容器的放大特性电容器的放大特性 电容器两端的电压将按指电容器两端的电压将按指数规律变化，放电的快慢决定数规律变化，放电的快慢决定于测量回路的时间常数于测量回路的时间常数 ， 越大，放电越慢；反之，放电越大，放电越慢；反之，放电就越快，如图就越快，如图4-15所示。所示。 4.4 4.4 测量电路测量电路 3232第第4章章 压电式传感器压电式传感器 由此可见：只有在测量回路开路情况，也就是传由此可见：只有在测量回路开路情况，也就是传感器本身的绝缘电阻感器本身的绝缘电阻Ra无限大的

27、情况，才能使传感器无限大的情况，才能使传感器的输出电压（或电荷）保持不变的输出电压（或电荷）保持不变; 如果传感器本身的绝缘电阻不是足够大，电荷就如果传感器本身的绝缘电阻不是足够大，电荷就会通过这个电阻很快漏掉。会通过这个电阻很快漏掉。 当传感器与测量仪器连接后，应考虑当传感器与测量仪器连接后，应考虑:电缆电容电缆电容前置放大器的输入电容和输入电阻前置放大器的输入电容和输入电阻 4.4 4.4 测量电路测量电路 3333第第4章章 压电式传感器压电式传感器等效电路如下图：等效电路如下图：等效电阻等效电阻R为为 ：iaiaRRRRR+=等效电容等效电容C为：为：icaCCCC+=4.4 4.4

28、测量电路测量电路 3434第第4章章 压电式传感器压电式传感器式中：式中： Ra为传感器的绝缘电阻；为传感器的绝缘电阻； Ri为前置放大器的输入电阻；为前置放大器的输入电阻； Ca为传感器内部电容；为传感器内部电容； Cc为电缆电容；为电缆电容； Ci为前置放大器输入电容。为前置放大器输入电容。 4.4 4.4 测量电路测量电路 3535第第4章章 压电式传感器压电式传感器则前置放大器的输入电压则前置放大器的输入电压 为为 srURCRIUsrj1=+ 假设作用在压电元件上的力为假设作用在压电元件上的力为F，其幅值为，其幅值为Fm，频，频率为率为。即。即F=Fmsint 4.4 4.4 测量电

29、路测量电路 3636第第4章章 压电式传感器压电式传感器在力在力F的作用下，产生的电荷的作用下，产生的电荷Q为为 Q=d F 因此因此 tdFtQimcos=dd=写成复数形式为写成复数形式为 FdIj=RCRFdUsrj1j=+前置放大器的输入电压的幅值前置放大器的输入电压的幅值Uim为为 22)()(1=icamimCCCRRdFU+4.4 4.4 测量电路测量电路 3737第第4章章 压电式传感器压电式传感器输入电压与作用力之间的相位差用输入电压与作用力之间的相位差用 为为RCCCica)(arctan-2=+ 在理想情况下，传感器的绝缘电阻在理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra和前置放大和

30、前置放大器的输入电阻器的输入电阻Ri都为无限大，即等效电阻都为无限大，即等效电阻R为无限大的为无限大的情况，电荷没有泄漏。前置放大器的输入电压（即传情况，电荷没有泄漏。前置放大器的输入电压（即传感器的开路电压）的幅值感器的开路电压）的幅值Uam为为 icaamCCCdFU+=它与输入电压它与输入电压Uim之幅值比为之幅值比为 22)()(1)(=icaicaamimCCCRCCCRUU+3838第第4章章 压电式传感器压电式传感器令令 1=)(1=1icaCCCR+为测量回路的时间常数为测量回路的时间常数 )(=icaCCCR+即有：即有：22111111+amimUU)arctan(2arc

31、tan214.4 4.4 测量电路测量电路 3939第第4章章 压电式传感器压电式传感器 由此得到电压幅值比和相角与由此得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线，见图频率比的关系曲线，见图4-17。 当作用在压电元件上的力是静态力（当作用在压电元件上的力是静态力（=0）时，则前置放大器的输入电压等）时，则前置放大器的输入电压等于零。于零。当当1时，即作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于时，即作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，时，前置放大器的输入电压前置放大器的输入电压Uim随频率的变化不大。随频率的变化不大。当当3时，可近似看作输入电压与作用力的频率无关。时，可近

32、似看作输入电压与作用力的频率无关。 4.4 4.4 测量电路测量电路 4040第第4章章 压电式传感器压电式传感器说明：说明： 在测量回路的时间常数一定的情况下，压电式传感在测量回路的时间常数一定的情况下，压电式传感器的高频响应是相当好的。器的高频响应是相当好的。 但是应当指出的是，不能靠增加测量回路的电容量但是应当指出的是，不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度是与电容来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度是与电容成反比的。成反比的。 22)()(1=icamimUCCCRdFUK+增加测量回路的电容量必然会使传感器的灵敏度下降。增加测量回路的电容量必然会使传感器的

33、灵敏度下降。 切实可行的办法：提高测量回路的电阻。切实可行的办法：提高测量回路的电阻。4.4 4.4 测量电路测量电路 4141第第4章章 压电式传感器压电式传感器 由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。的低频响应也就越好。 一般采取的方法：前置放大器采用场效应管。一般采取的方法：前置放大器采用场效应管。 压电式传感器在与阻抗变换器配合

34、使用时，连接电压电式传感器在与阻抗变换器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。必然使传感器的电压灵敏度降低。 4.4 4.4 测量电路测量电路 4242第第4章章 压电式传感器压电式传感器 电缆的问题并不是不能解电缆的问题并不是不能解决的。随着固态电子器件和集决的。随着固态电子器件和集成电路的迅速发展以及越来越成电路的迅速发展以及越来越广泛的应用，超小型放大器已广泛的应用，超小型放大器已完全有可能装入传感器之中，完全有可能装入传感器之中，组成一体组成一体化传感器，如图化传感器，如图4-18

35、所示。所示。4.4 4.4 测量电路测量电路 4343第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.4.2 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电源正比于输入电荷。而且输出电源正比于输入电荷。 一般电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其一般电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达输入阻抗高达10101012， 而输出阻抗小于而输出阻抗小于100。 4.4 4.4 测量电路测量电路 4444第第4章章 压电式传感器压电式

36、传感器 使用电荷放大器优点：在一定条件下，传感器的使用电荷放大器优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。灵敏度与电缆长度无关。 原理：电荷放大器实际上是一个具有深度电容负原理：电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器，其等效电路如图反馈的高增益放大器，其等效电路如图4-20所示。所示。 K是放大器的开环增益是放大器的开环增益 4.4 4.4 测量电路测量电路 4545第第4章章 压电式传感器压电式传感器 电荷放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此电荷放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几

37、乎没有分流，电荷电荷Q只对反馈电容只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即的输出电压，即 fcscCQUUf=Usc放大器输出电压；放大器输出电压； Ucf反馈电容两端反馈电容两端的电压。的电压。4.4 4.4 测量电路测量电路 4646第第4章章 压电式传感器压电式传感器 只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。反馈电容变化成线性关系的输出电压。反馈电容Cf小，输出就小，输出就大，因此要达到一定的输出灵敏度要求，必须选择适当大，因此要达到一定的输出灵敏度要求，必须选择适当

38、容量的反馈电容。容量的反馈电容。 图图 4-21是压电式传感器是压电式传感器与电荷放大器连接的等效电与电荷放大器连接的等效电路，由路，由“虚地虚地”原理可知，原理可知，反馈电容反馈电容Cf折合到放大器输折合到放大器输入端的有效电容入端的有效电容Cf为为 ffCKC)1 (=+4.4 4.4 测量电路测量电路 4747第第4章章 压电式传感器压电式传感器 压电元件产生的电荷压电元件产生的电荷Q不仅对反馈电容充电，同时不仅对反馈电容充电，同时也对其它所有电容充电。因此，放大器的输出电压也对其它所有电容充电。因此，放大器的输出电压 ficascCKCCCKQU)1 (=+ 可见：输出电压是与电缆电容

39、有关的。只有在放可见：输出电压是与电缆电容有关的。只有在放大器的开环增益大器的开环增益K足够高，以致满足以下条件：足够高，以致满足以下条件： )()1 (icafCCCCK+ 放大器的输出电压为放大器的输出电压为 fscCQU 一般在反馈电容的两端并联一个大电阻一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf(约约108 1010 )，其，其功能是功能是提供直流反馈，减小零漂，使电荷放大器工作稳定提供直流反馈，减小零漂，使电荷放大器工作稳定。 4.4 4.4 测量电路测量电路 4848第第4章章 压电式传感器压电式传感器 使用电荷放大器的几点说明：使用电荷放大器的几点说明：1）传感器的灵敏度归一化方法；

40、）传感器的灵敏度归一化方法；2）传感器的输出电缆的接线注意事项；）传感器的输出电缆的接线注意事项；3）环境因素的影响。）环境因素的影响。4.4 4.4 测量电路测量电路 4949第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器 压电元件直接成为力压电元件直接成为力电转换元件是很自然的。关电转换元件是很自然的。关键是选择合适的压电材料、变形方式、机械上串联或并键是选择合适的压电材料、变形方式、机械上串联或并联的晶片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。联的晶片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。 压电元件的变形方式以利用纵向压电效应的压电元件的变形方式以利用纵向压电效应

41、的TE方方式为最简便。式为最简便。 5050第第4章章 压电式传感器压电式传感器 压电材料的选择则决定于所测力的量值大小，对压电材料的选择则决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求，工作环境温度等各种因素。测量误差提出的要求，工作环境温度等各种因素。 晶片数目通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片数目通常是使用机械串联而电气并联的两片。 机械上串联的晶片数目增加会导致传感器抗测向干机械上串联的晶片数目增加会导致传感器抗测向干扰能力的降低，而机械上并联的片数增加会导致传感器扰能力的降低，而机械上并联的片数增加会导致传感器加工精度过高加工精度过高 。4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器

42、5151第第4章章 压电式传感器压电式传感器1）结构原理）结构原理2）结构特点）结构特点3）使用注意事项）使用注意事项1、压电式压力传感器、压电式压力传感器 图图4-22给出给出YDS781型单向型单向压电式测力传感器的结构图。压电式测力传感器的结构图。 4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器 5252第第4章章 压电式传感器压电式传感器2、压电式压力传感器、压电式压力传感器1）结构特点）结构特点2）温度补偿方法）温度补偿方法3）加速度补偿原理）加速度补偿原理4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器 5353第第4章章 压电式传感器压电式传感器3、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器引言：

43、引言： 加速度测量方法及传感器分类：绝对式、相对式加速度测量方法及传感器分类：绝对式、相对式(惯性式惯性式)惯性式惯性式牵连运动牵连运动相对运动相对运动4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器 5454第第4章章 压电式传感器压电式传感器1)结构原理结构原理2）结构特点）结构特点3）传递函数）传递函数4）横向灵敏度：）横向灵敏度： 横向灵敏度横向灵敏度是指传感器受到横向加速度时是指传感器受到横向加速度时的最大灵敏度。的最大灵敏度。 图图4-24为压缩式压电加为压缩式压电加速度传感器的结构原理图。速度传感器的结构原理图。 4.5 4.5 压电式传感器压电式传感器 5555第第4章章 压电式传感器

44、压电式传感器产生的原因：（1） 压电材料性能的不均匀、压电压电材料性能的不均匀、压电片表面粗糙或两个表面不平行、压片表面粗糙或两个表面不平行、压电片表面有杂质或接触不良；电片表面有杂质或接触不良；（2） 晶体片切割或极化方向有偏差；晶体片切割或极化方向有偏差； （3） 传感器基座上下两端互相不平传感器基座上下两端互相不平行；行；（4） 基座平面与主轴方向互不垂直，基座平面与主轴方向互不垂直，基座平面不平；基座平面不平；（5） 质量块或压紧螺母加工精度不质量块或压紧螺母加工精度不紧；紧；（6） 传感器装配质量不好，结构不传感器装配质量不好，结构不对称。对称。 5656第第4章章 压电式传感器压电

45、式传感器4.6 4.6 误差分析误差分析 4.6.1 环境温度的影响环境温度的影响 周围环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电周围环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响最大，它将造成传感器灵敏度发生变化。常数的影响最大，它将造成传感器灵敏度发生变化。 石英晶体石英晶体 石英晶体对温度并不敏感，在常温范围甚至温度高至石英晶体对温度并不敏感，在常温范围甚至温度高至200，石英的压电常数和介电常数几乎不变，在，石英的压电常数和介电常数几乎不变，在200400范围内变化也不大。范围内变化也不大。 5757第第4章章 压电式传感器压电式传感器 为了提高压电陶瓷的温度稳定性和长时间温度稳定性

46、，一为了提高压电陶瓷的温度稳定性和长时间温度稳定性，一般应进行人工老化处理。般应进行人工老化处理。 人工老化处理的方法是，将压电陶瓷置于温度箱内反复加人工老化处理的方法是，将压电陶瓷置于温度箱内反复加温和降温，连续做一个星期，加温和降温的周期为二小时。温和降温，连续做一个星期，加温和降温的周期为二小时。压电陶瓷压电陶瓷 人工极化的压人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英电陶瓷受温度的影响比石英要大得多，压电常数和介电要大得多，压电常数和介电常数随温度变化的趋势大体常数随温度变化的趋势大体上如图上如图4-30所示。所示。4.6 4.6 误差分析误差分析 5858第第4章章 压电式传感器压电式传感器

47、 压电陶瓷经人工老化后处理后，虽然在正常使用压电陶瓷经人工老化后处理后，虽然在正常使用稳定环境中性能比较稳定，但在高温环境中使用时，压稳定环境中性能比较稳定，但在高温环境中使用时，压电常数和介电常数仍会发生变化。电常数和介电常数仍会发生变化。 普通的压电式传感器的工作温度总是有限的，这普通的压电式传感器的工作温度总是有限的，这主要是受压电材料、电子线路元件和电缆耐温限制。主要是受压电材料、电子线路元件和电缆耐温限制。 压电材料的体电阻率是随着温度的增加按指数规律压电材料的体电阻率是随着温度的增加按指数规律减小的。减小的。 传感器的连接电缆也是一个至关重要的部件。普通传感器的连接电缆也是一个至关

48、重要的部件。普通电缆是不能耐电缆是不能耐700以上高温的。以上高温的。 电缆两端必须气密焊封，以防止潮气侵入到无机绝电缆两端必须气密焊封，以防止潮气侵入到无机绝缘材料中使绝缘电阻减低。缘材料中使绝缘电阻减低。4.6 4.6 误差分析误差分析 5959第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.6.2 环境湿度的影响环境湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能影响也很大。如果传环境湿度对压电式传感器性能影响也很大。如果传感器长期在高湿环境下工作，传感器的绝缘电阻（泄感器长期在高湿环境下工作，传感器的绝缘电阻（泄漏电阻）将会减小，以致使传感器的低频响应变坏。漏电阻）将会减小，以致使传感器的低频响应变坏。

49、要选用绝缘性能良好的绝缘材料，如聚氯乙烯、聚要选用绝缘性能良好的绝缘材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。苯乙烯、陶瓷等。 零件表面的光洁度要高。零件表面的光洁度要高。 对一些长期在潮湿环境或水下工作的传感器，应采对一些长期在潮湿环境或水下工作的传感器，应采取防潮密封措施，在容易漏气或进水的输出引线接头取防潮密封措施，在容易漏气或进水的输出引线接头处用特殊材料加以密封。处用特殊材料加以密封。 4.6 4.6 误差分析误差分析 6060第第4章章 压电式传感器压电式传感器4.6.3 电缆噪声电缆噪声 压电式传感器的信号电缆一般采用小型同轴导线，这压电式传感器的信号电缆一般采用小型同轴导线，这种电缆很柔软，具有良好的挠性。种电缆很柔软，具有良好的挠性。电缆噪声完全是由电缆自身产生的。普通的同轴电缆电缆噪声完全是由电缆自身产生的。普通的同轴电缆是由聚乙烯或聚四氟乙烯作绝缘保护层的多股绞线组成。是由聚乙烯或聚四氟乙烯作绝缘保护层的多股绞线组成。 为了减少这种噪声，除选用特制的低噪声电缆。为了减少这种噪声，除选用特制的低噪声电缆。在测量过程中应将电缆固紧，以免产生相对运动。在测量过程中应将电缆固紧，以免产生