压电式传感器

1、1同学们好！同学们好！成都 西岭雪山2第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1压电效应压电效应6.2压电材料压电材料6.3等效电路等效电路6.4测量电路测量电路6.5压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例6.6影响压电式传感器精度的因素分析影响压电式传感器精度的因素分析3 当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。其电容量为：SSCra04当两极板聚集异性电荷时，板间

2、就呈现出一定的电压，当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为其大小为 aaCqU因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图 (b)。5压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a） 电压源电压源; ; （b b） 电荷源电荷源 CauaCaq(a)(b)6 实际使用时，压电传感器通过导线与测量实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放、前置放大器的输入电阻大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影响对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝就必须一起考虑进去。当

3、考虑了压电元件的绝缘电阻缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可以后，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（表示成下图所示的电压等效电路（a）和电荷等）和电荷等效电路（效电路（b）。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。7压电传感器的完整等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)8 利用压电式传感器测量静态或准静态量值利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在上经测量电路的漏失减小

4、到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。作动态测量。9连接方式连接方式10CCUUqq22；(a) 并联并联11 串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。较高的信号。(b) 串联串联CCUUqq212；12

5、13 在上述两种接法中，并联接法输出电荷在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜适宜用于以电压作输出信号用于以电压作输出信号，并且测量电路输入，并且测量电路输入阻抗很高的场合。阻抗很高的场合。 14由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，大器中，经过阻

6、抗交换以后，经过阻抗交换以后，方可用一般的放方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器。）15前置放大器的作用前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的的电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传感器的即

7、传感器的输出输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大电荷放大器器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。不计，故而电荷放大器应用日益广泛。16压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路 （a a） 放大器电路放大器电路; ; （b b） 等效电路等效电路17tUtCFdCqumamaasinsin3318由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为，其复数形

8、式为 )CC(RjRjFdUa33i1(6-21) Ui的幅值Uim为 .2221)CCC(RRFd)(Uicam33im输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 R)CCC(arctanica2(6-22) (6-23) 19 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即 (Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-22）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 icam33imCCCFdU 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即 RCCCica)(10(6-24) 20 这表明压

9、电传感器有很好的高频响应，但是，这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（当作用于压电元件的力为静态力（=0=0）时，）时， 前前置放大器的输入电压等于零，置放大器的输入电压等于零， 因为电荷会通过放因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压所以压电传感器不能用于静态力的测量。电传感器不能用于静态力的测量。 21 当 (Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（6-24）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意

10、更换， 否则将引入测量误差。 22 AuoCiqCaCeCrCF23 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。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，故可略去Ra和Ri并联电阻。输入到放大器的电荷量为： Fiqqq24aciiioCCCKq -KUU由前图可知)(-q0aciiCCCKUFFFiFCKUKCUKUCU0000)1 ()()U(q而FaciiFCKUKCCCKUqqqq00)1 ()( 由25ficaoCKCCCKq)1 (UFoCqU26 由上式知，电荷放大器的输出电压由上式知，电荷放大器的输出电压Uo只取决于只取决于输输

11、入电荷入电荷与与反馈电容反馈电容CF，与电缆电容，与电缆电容Cc无关，且与无关，且与q成成正比，因此，正比，因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。放大器的最大特点。 在实际电路中，在实际电路中，CF的容量做成的容量做成可选择的，范围一般为可选择的，范围一般为100104pF。 27电荷放大器的灵敏度为F01CqUk由上式可以看出，放大器的灵敏度取决于CF。CF越小灵敏度越高。28 压电式传感器压电式传感器在测量低压力时线性度不好，在测量低压力时线性度不好，主

12、要主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。是传感器受力系统中力传递系数非线性所致。 为此，为此， 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。表面的间隙，提高刚度。 特别是，它只有在加预载特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。和扭矩。 29 如图是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 压力式单向测力传感器结

13、构图 6.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用30 传感器传感器上盖为传力元件上盖为传力元件，它的外缘壁厚为，它的外缘壁厚为0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型切型， 利用其纵向压电效应，利用其纵向压电效应， 通过通过d11实现实现力力电转换。电转换。31 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。整个

14、部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 压电式加速度传感器结构图 压电式加速度传感器压电式加速度传感器32 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即 式中：F质量块产生的惯性力； m质量块的质量； a加速度。 33与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为madFdq333334压电式压力传感器压电式压力传感器压电式测压传感器压电式测压传感器35当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个

15、压电片上所产生的电荷q为SPdFdq1111即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。36压电陶瓷换能器结构图铝头铝头螺钉螺钉黄铜尾部黄铜尾部压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短 。37 当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。38如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声

16、换能器。39压电式流量计压电式流量计压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)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流速成正比。 40压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。41两者时间差为22vtLLvtLLBA又L=LA +LB ，所以 42超声速测量实验装置超声速测量实验装置43 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片