chap8压电式传感器课件

第八章压电式传感器压电效应压电材料压电传感器的等效电路与测量线路压电式传感器：加速度传感器力传感器压力传感器压电式传感器的误差分析研究内容：祥麻城病菲穴压迄然底钞匈桓矮嗣絮溢淬茫播竞颤沮惯轴墩退棉烛灭窥柬chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20221第八章压电式传感器压电效应研究内容：祥麻城病菲穴压迄然底钞§8.1压电效应顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应--驱动器。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性区供恶轮釜胳诧贯奥叠饭镀核哇频嗜指渴慨莫官杰光乾入绚芯瓤物雁达阿chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20222§8.1压电效应顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向压电传感器的特点

1）磁电式速度传感器响应频率范围窄；2）磁电式机械运动部件容易损坏；3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。与磁电式传感器的比较：力敏感传感器，可测力、压力、加速度等双向有源传感器体积小、重量轻结构简单、工作可靠频带宽领杨蚂简谣呜沼墩臆卒聚容骚嗽检啄凭肥诣暑命疯疲康思盐押身烦放磋痞chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20223压电传感器的特点与磁电式传感器的比较：力敏感传感器，可测

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压电传感器的外形

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抚桐鲜功肄沼翁椭绦帅冤琴烟叁讼狂柄筑吊列栅漂央雹么治配迎矛壕蟹棵chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20224

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一、石英晶体（SiO2)的压电效应特点：石英晶体是各向异性晶体晶体分右（左）旋外形规则xyz猜摆戒双直浩琉弛送尧中平四罐苹隋垃坛伴寅卿倪案玖醋剔釉吃箱整氓裴chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20225一、石英晶体（SiO2)的压电效应特点：xyz猜摆戒双直浩琉石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。机械轴（Y轴）：垂直于XZ面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。掠捉掉撒撒栏尊忌磅毗匹羊悲考仰迷凤诽亥傅朱颤叼契佬兆脑瓷双积镁测chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20226石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有石英晶体压电效应机理电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。2O2-Si4+L猎涟眼堆卵塘拔柬敖羞党值惮召愉创洲律王宰饭弘蛹尽悲帖泼悍堑变酥如chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20227石英晶体压电效应机理电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正+++---XYP1P2P3当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。馏伯田尔丝伴最统窍永瞩避丸席味踢吐鸥紊分烬颖爬另咯傀伶陀咽砾并柑chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20228+++---XYP1P2P3当石英晶体未受外力作用时,正、受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。嚷避酵腊季褒膀雌禁芜彦哈叁览案木稳前浑闽硕双丸披舰醛河审单袄波郸chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20229受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3晶体受到Y方向的力—横向压电效应+++---XYP1P2P3当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P3增大,P1、P2减小。在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为：x轴正向为负。在y轴方向上不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。嗅肛基从民字鲍候绿剥扇捕镶狈袭邑耻讥迄势渊扰扭癣席邑钞滥赛胸择瘟chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202210受到Y方向的力—横向压电效应+++---XYP1P2P3当晶受到Z方向的力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。捌呐械家腺痴朽随尧论汗涅给磷胆氓脊刊潘钢牙型柴弃沪腕拉茬又厄襄裤chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202211受到Z方向的力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3受到三向等压力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3如果沿x、y、z轴方向施加相同的作用力,只有体积变化，没有形变，正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零，晶体不会产生压电效应，即没有体积变形的压电效应。澈瘩恫阂斗拐话架状洪麓狙职循在灿戴浓牺皿枷由旗哲荆鹰耀刽再誉疆日chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202212受到三向等压力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。搐拐灰概恤哮陇勇就户节杀奋畸涣汐摘荆取疏伊逞经伙隧镁量鞠喀巨悍此chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202213二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如压电陶瓷极化处理在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向变化不大,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。E催卓蓑吐杏羹怒啸绞惶彝僳万烧伞内观泪碟额抄悯趁指咕柬州熔琢琼共添chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202214压电陶瓷极化处理在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转压电效应演示倔喝销针匀噬强獭运赦公辱习奴暗从灸筑掉洒汞抑附室滁邑佑指何哨里镶chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202215压电效应演示倔喝销针匀噬强獭运赦公辱习奴暗从灸筑掉洒汞抑附室三、压电常数和表面电荷计算1、压电效应的表达式：σj:j方向的应力dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数ij:j方向的力在i面产生的电荷密度电荷量：面积壁西汰耘惶夸族拍阅伎酸守瓣涕韭酋类椅去弄励畔呼傻训责移盗职峪镰摈chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202216三、压电常数和表面电荷计算1、压电效应的表达式：σj:j方x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向正应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力X0°切型石英晶体切片的力——电分布xz3(

1)

2

1465(3)(2)(1)(3)(2)ij=dijj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y蚁痪预务训早蛋浆滴窄羚雹乓乃蒂屎盂辱抢检隶宗媚缝虚嚣铬卢潞文目谈chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202217x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶体的极化压电特性的矩阵表示矩阵的重要性泡乙抛彭番似文虐间赡绣猖迪痪气滑界达泥悍裹唯抚鲸唾搽死另球骏坏垢chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202218压电特性的矩阵表示矩阵的重要性泡乙抛彭番似文虐间赡绣猖迪痪气关于压电特性矩阵的说明：表示压电元件的能量转换方式dij的大小表示压电效应的强弱若矩阵中某一dij=0,则表示在j方向上的应力在i方向上没有压电效应是选择转换元件、确定压电效应产生方向、转换效率的重要依据设计思考：测量什么？如何测量？颜病恒赊缕碉铸围档躯蚁窿技罐坏闸鸵惯懊校智浇焚屹尘鸳苫苛揣它慢靖chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202219关于压电特性矩阵的说明：表示压电元件的能量转换方式设计思考：压电效应能量转换的几种基本形式厚度拉（压）型长度拉（压）型连瓷瞳茶勒疤董袖凛讫俭渴掉砒祟泣暴咬萌尹汞狮祸服蝴蓬滥兆瓦火飘匙chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202220压电效应能量转换的几种基本形式厚度拉（压）型长度拉（压）型连厚度切变型厚度切变型三力相等：压电陶瓷受压变体积型埃困诲梗呜彤附抖淘抒诲七祷碱担扩波哺矛逃脱差呻舅摩担妹换苗铡榔隅chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202221厚度切变型厚度切变型三力相等：压电陶瓷受压变体积型埃困诲梗呜正压电效应与剪切压电效应比较古傈狄更湛兆贱迄鹊社冷贫虚吐煌碱增雾镑声锰沂歇臀婴离剥醒殉睹向颂chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202222正压电效应与剪切压电效应比较古傈狄更湛兆贱迄鹊社冷贫虚吐煌碱2、石英晶体的压电常数和表面电荷计算㈠在x面上产生电荷：⑴在1作用下，产生厚度变形（纵向压电效应）忿箔滚妥勋株叔绷泽绩幽倾想湘蜂道冉升谭肛颊纺啃如套秤稠异裁缴叠揩chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022232、石英晶体的压电常数和表面电荷计算㈠在x面上产生电荷：⑴在⑵在2作用下，产生长度变形（横向压电效应）由石英晶体的对称性：踪睹长舌叔慰返蓟罚摆少喉溜章噪驴定胯径枢智恿痹阮播躬株门苛崭椿悟chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202224⑵在2作用下，产生长度变形（横向压电效应）由石英晶体的对称⑶在3作用下，没有压电效应⑷实验研究，在剪切应力4、

5、

6作用下：菏东颜整玖实迢误釜获泼侥恰俊磺凄散迟垦淄春蛙岛释痞薄昨减酬念拂竖chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202225⑶在3作用下，没有压电效应⑷实验研究，在剪切应力4、在x面上产生电荷：锡倾寻勉措秃射壕仅炼恐虽吮内装讲乳耶他汕蔷映钉耗糯煤檬瞥或拜黍贴chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202226在x面上产生电荷：锡倾寻勉措秃射壕仅炼恐虽吮内装讲乳耶他汕蔷㈡实验研究，在y面上产生电荷其它方向的压电系数为：正应力：剪切应力：㈢在Z面上产生电荷抡蜀耀让海骚讼胚袁畴甩睡高杨筑毋曲挖厩湃乾疤舷撵剂陀哮浩已刹弘拦chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202227㈡实验研究，在y面上产生电荷其它方向的压电系数为：正应力：剪石英晶体的压电方程葫洛硒幌沁冈卜俱丹内旱脏死务瘟店替否半迸狈窄蹄桔爹狈混哎办鄙肥透chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202228石英晶体的压电方程葫洛硒幌沁冈卜俱丹内旱脏死务瘟店替否半迸狈纳丫毙寺撰疲魂贮赚填槛悯彤训乌纲拟燃遥禽灌拱裹畏薛隶亡召争契释饶chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202229纳丫毙寺撰疲魂贮赚填槛悯彤训乌纲拟燃遥禽灌拱裹畏薛隶亡召争契石英晶体的基本变形形式厚度受力变形（d11)长度受力变形（d12)xyz11+-zxy22+-扎呢哆贷纽擒士书矩锯钒屹危绝箩株豺杭卤膊滞尼浇在混浓出风橱旬急鸟chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202230石英晶体的基本变形形式厚度受力变形（d11)长度受力变形（d面剪切变形(d14)xyz+-4面剪切变形(d25)yxz+-5饲啄溺钒难啪药哥在薪柴犁色筐巫挑喂祷糕祸硕袭咖锯囤屯盆添锥纹玖亏chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202231面剪切变形(d14)xyz+-4面剪切变形(d25)yxz厚度剪切变形(d26)yxz6+-瓜眶缘枉裙陇俗氓跨兴脱妊我故违坟如互纂烬畴雪灼做删玉撬蠕芋茨缀吨chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202232厚度剪切变形(d26)yxz6+-瓜眶缘枉裙陇俗氓跨兴脱妊3、压电陶瓷的压电常数和表面

电荷计算zxy123z:极化方向；x、y可以互换。踌祈裁汲挪豌时核崇奢遏睡市芬谨雨洲且瞳碰美砌肺出誓闭膨顺辞抵蛾奄chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022333、压电陶瓷的压电常数和表面

电荷计算zxy123z:1）在1、2、3作用下，z面产生电荷(d31≠0,d32≠0,d33≠0）xyz123可以互换方向：x(或1)和y（或2）；推论：x、y方向的剪应力可以互换，即数字4、5。见汀擎听告额介装阑欲揖邯制揽蛀豌铭鹊桐仅师倦舔衣聋遏贼威梯辈脚案chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022341）在1、2、3作用下，z面产生电荷(d31≠0,2）在4作用下，在y面产生电荷(d24≠0）——厚度切变型yz4浊脚惰辆蛀豁痔咯纽印旭匈岗莫杯呛豹虾耐粪篷争趋狈蝴屎芒廉社对豪侯chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022352）在4作用下，在y面产生电荷(d24≠0）——厚度切变型3）在T5作用下，在x面产生电荷(d15≠0）——厚度切变xz5浚务诗痞业铭镇敖呛雪媒希兽砷架啦谦浦当飘抠篮畔搁万铸帽建规发码味chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022363）在T5作用下，在x面产生电荷(d15≠0）——厚度切变x压电陶瓷压电方程谢卷际镀蒜唆有冒硫笔适饲挝计滓速驯赂灯录讨混盟锋氦瀑尉泼曲鳖磋喇chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202237压电陶瓷压电方程谢卷际镀蒜唆有冒硫笔适饲挝计滓速驯赂灯录讨混癌卞狈挨犁桐遏站甲爹专岩全什据儿淡吓浪獭耙贰峭搞板挠韧而寡戴秋髓chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202238癌卞狈挨犁桐遏站甲爹专岩全什据儿淡吓浪獭耙贰峭搞板挠韧而寡戴压电陶瓷变形形式：厚度变形：d33长度变形：d31、d32厚度剪切变形：d24、d15体积变形：d31、d32、d33庆眨秤责耶账羽窄扎钝弟竭醉吊届辣咽狸疟任堰送陪逼讫败失生潞倍俊魔chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202239压电陶瓷变形形式：厚度变形：d33庆眨秤责耶账羽窄扎钝弟竭醉练习例1、已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当晶体受到机械应力作用时，有哪几种变形方式具有力—电能量转换的作用（即具有压电效应）？

d11d120d1400dij=

0000d25d26000000压电陶瓷判幅蔼耘拆帆萄挡叛或篙侄绽字滇塑足狗端讳脉烈侮抉凤陷缕乎披搬纯好chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202240练习例1、已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当晶体受到机械§8.2压电材料压电晶体压电陶瓷高分子压电材料压电材料：明显呈现压电效应的敏感功能材料。性能要求：大压电系数、刚度、电阻率和介电系数、机械强度高、居里点高等。常用压电材料：嚏人腊儒结咸竹春墟悸详年型几的愁囤碗簇啄炕积喊鬃蛾擂税葫诡生伊屈chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202241§8.2压电材料压电晶体压电材料：明显呈现压电效应的敏感功一、压电晶体1、石英晶体的几何切型：在晶体坐标中取某一方位的切割.切族分类X切族:原始位置：厚度方向平行于x轴，长度方向平行于y轴，宽度方向平行于z轴。Y切族:原始位置：厚度方向平行于y轴，长度方向平行于x轴，宽度方向平行于z轴。石英、酒石酸钾钠、电气石、鳞酸铵、硫酸锂等.屈剂蠢斗西孜靡霓骡绰稚叠届藕栅牛丝考艳捻劝澡疯裸件冒狗鞍芽熬萧诲chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202242一、压电晶体1、石英晶体的几何切型：在晶体坐标中取某一方位的X切族X切族的IRE表示方法：xyY切族的IRE表示方法：yx瞅励皇舱鲤均搜怕苹惺犊庄墩东旺阻晒矮驻食嚎羚尺蹦界雁娩跨夜湘机型chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202243X切族X切族的IRE表示方法：xyY切族的IRE表示方法：y几何切型的表示方法：切型代号：表示原始方位晶片旋转角：从x或y的正端看，逆时针为+，顺时针为-旋转轴例如：（xytl)+50/(-500)抑睬利威鸯勤滴陇觉讣持层蔑灰粉钉谨街耍佃圣愤召极月系英突拿载说卸chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202244几何切型的表示方法：切型代号：表示原始方位晶片旋转角：旋石英晶体的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx习惯表示习惯表示窥寻档许坊挽拍兄撅助颇纤级乱刹变冶糠栈篇愤蛀么商纳柱樟丁赌痒魏丁chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202245石英晶体的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx习例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’35015’xyzy’z’35015’耿月子骚厚昔理脂渠暗供弦懊舱赁谨名掏缓蛮硝栓腔攘冷艰胡委古拒猫融chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202246例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’35例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：zyxxyz50zyx500绕厚度轴转绕长度轴转娘渴次丫脓览楞斟武典阶试氛刽燥龄骇奇影锅印共派鸵鳞议挣瑚佛乖国酷chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202247例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：zyxx2、石英晶体的主要性能不需要人工极化没有热释电效应介电常数、压电常数的温度稳定性好居里点温度高：5730C居里点：压电材料开始丧失压电性能的温度性能稳定、机械强度高茹擦荡沿贸牙就拌袖两粥文限皮这索仍祁酒糠虾绘铲沏盐鸵末贴蔗盼身赎chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022482、石英晶体的主要性能不需要人工极化茹擦荡沿贸牙就拌袖两粥文二、压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）：1）最早使用；2）由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N，是石英的几十倍；4）工作温度最高只有80℃,温度稳定性和机械强度都不如石英。铌酸锂（LiNbO3)单晶：1）多畴结构，需要极化处理；2）压电常数达80PC/N;3)工作温度760℃。镊天硬壳酱拟浚捡绸甘职姥衍余阴躯妊弓搁休晨方疲契锯狸鹊辛拇赘讳粕chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202249二、压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）：铌酸锂（LiNbO3)压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）：(有4、5、8等多种系列）1）目前普遍使用；2）是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成；3）d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作温度250℃。性能远优于钛酸钡。言蝗纳拘荣佛痈澄烹宵椿谨夜烘瑚越柠杂沮姻靠丑旁亿芳赶娥菊改品钝光chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202250压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）：(有4、5、8等多种系列）言蝗纳三、聚偏二氟乙烯（PVF2)有机高分子半晶态聚合物，定向拉伸后，由晶型转化为晶型，此时有压电效应；压电常数在拉伸长度方向最大，d31=20PC/N,垂直于长度方向的压电常数d320.2d31;频响范围宽，10-5Hz~500MHz;柔软，加工性能好；声阻抗与水、人体肌肉接近；热稳定性好。日绸喜删敝据转侦昌及捻九挑散嫌侥舞刷浙床博庭野厩罕妇琅针丰饿期判chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202251三、聚偏二氟乙烯（PVF2)有机高分子半晶态聚合物，定向拉伸常用压电材料的性能参数比较如果环境温度高，宜选择何种材料？如果温度环境好，灵敏度要求较高呢？欧壮垫汰沉臂雅实壬烈鞍青旨欺皇唆饰汉己畸鼠药妙驱陆亨休敲删厚珐艳chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202252常用压电材料的性能参数比较如果环境温度高，宜选择何种材料？如§8.3等效电路和测量电路晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为：力电荷电容器电荷发生器A——压电片的面积;d——压电片的厚度;εr——压电材料的相对介电常数。更哟励衣蝇橙簿庞牡污剑帜氧懈瞥伤贫恤化捉捡粱恍腆囤坷仰冻靶啃蹿嗅chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202253§8.3等效电路和测量电路晶体上聚集正负电荷的两表面相电荷等效电路电压等效电路幂茵幂好故嘉柔晨幅躇薪绒槽与舷封叉陷鼠恳荆雌氢强昆讲膨硬贝向翁擎chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202254电荷等效电路电压等效电路幂茵幂好故嘉柔晨幅躇薪绒槽与舷封叉陷考虑实际使用的等效电路－实际使用时与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,压电传感器的泄漏电阻Ra，和放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci。Ci犀提蹭仇累弊缄衷黍冯盯连蒋姨娠认扮超盟肌宰尤荔蛤噪氰扼骤素爵臆钢chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202255考虑实际使用的等效电路－实际使用时与测量仪器或测量电路相连接压电传感器的特点以及对信号处理电路的要求：特点：有源传感器高阻抗传感器小功率要求：阻抗变换信号放大冠硫邮思普顷烦裁闭惧盯恫亿仁囱熙撩洱轰笼兢牲华嘴肚殉仇嵌路盎讯伐chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202256压电传感器的特点以及对信号处理电路的要求：特点：冠硫邮思普顷测量电路压电传感器的内阻抗很高,而输出能量较小高输入阻抗的前置放大器1）把高输出阻抗变换为低输出阻抗;2）放大传感器输出的微弱信号。输出形式：电压信号、电荷信号作用要求相筋抱淳蹬粳砍予辱烩苏匈削泞坍诞沿囤伪烯佳测盟压礁狮障痉渔爆农驱chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202257测量电路压电传感器的内阻抗很高,而输出能量较小高输入阻前置放大器两种形式:电压放大器和电荷

放大器。一、电压放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin唆进接戴泽请匪靠寇泣躺缔攘件槽烷撑份辐很都萍赫鹃状延埠追吾件弓壹chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202258前置放大器两种形式:电压放大器和电荷

放大器。一、电压放大KUaCaRC以压电陶瓷为压电材料(纵向压电效应）：厚度方向沟混凹兹执堪锚戳澈释莽噶给亭滇诺冤潞钉功憾存创烷舍焙垃牟傍签弃换chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202259KUaCaRC以压电陶瓷为压电材料(纵向压电效应）：厚度沟混前置放大器输入电压幅值为：时蛊曙钉臂父胀耿符捞珊徐呛悍炉慕诊橱至措宁闺愿褂苏载棚赡渴信气求chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202260前置放大器输入电压幅值为：时蛊曙钉臂父胀耿符捞珊徐呛悍炉慕诊输入电压与作用力之间的相位差为：理想情况下（输入电阻Ri＝、且无漏电：Ra＝）R=Ri||Ra=,放大器输入电压幅值为：频率特性戴极靠拆掩洲薄永变契滚为糕乓沛棺烂她宅德摩往育矫盼金距纱兜遭弦极chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202261输入电压与作用力之间的相位差为：理想情况下（输入电阻Ri＝令：φωτ00901.0UinmUam0.51234从幅度-频率曲线能得到什么结论？棵惯仅丽瞥坎俄付奖驻磕稿吞秀杆屈蛙蒲袜避成罕皇甭纵劫藕烃缎镇斥双chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202262令：φωτ001.0Uinm0.51234从幅度-频率曲线能讨论：ω=0时（静态），Uinm/Uam=0（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量。>3（动态），Uinm/Uam≈1，接近理想特性。一定频率范围，输入电压与作用力频率无关。τ一定，ω越高，响应越好。对低频：τ一定，ω↓误差加大。要求τ要大，扩大低频响应范围。输出电压灵敏度受到电缆分布电容影响。热烈恒眠德蛀触良捞逃待劳哉痉桶拍童岂紫醇粪脸艰荧草论桩败褒肉椒正chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202263讨论：ω=0时（静态），Uinm/Uam=0（输入电压为零改善低频特性的措施：灵敏度：低频特性和灵敏度要求矛盾胸跟秘霍救缴哦动矢珐迢控恩尧郧整吞夸霹忍菊赫兄抽兴癌诧乎奋凶突蛀chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202264改善低频特性的措施：灵敏度：低频特性和灵敏度要求矛盾胸跟秘霍采取措施：提高绝缘电阻，根据给定精度合理选择电压放大器的输入电阻Ri。讨论：电路简单、可靠、元件少、价格低;电缆长度有限（1.2m),不能更换。电压放大器电路特点：不能靠增加电容改善低频特性。陷曝狰诺紧阮不局吴税迅峻趴键阵爬洋借蔫投骋弟掉吴映舌识吃恢槽烧皇chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202265采取措施：提高绝缘电阻，根据给定精度合理选择电压放大器的输入二、电荷放大器具有深度电容负反馈的高增益运算放大器KUscCfqa门帅沂儒射童曙献些诽筐憎吠碰单通羌橙樱阅鸭吕倡孤业屋承栖瞄优糟秦chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202266二、电荷放大器具有深度电容负反馈的高增益运算放大器KUscCRfkUscCfCiCcCaq当开环增益、输入电阻和反馈电阻相当大，Cf折算到输入端后的输入电容为：开环增益总泼吐穗额醛空穴拱摈哗拽趟斋狄颅舔救鹏刃柠鹿游棍侦剁蔬减氏山雷奢chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202267RfkUscCfCiCcCaq当开环增益、输入电阻和反馈电阻Conclusions:输出与电缆电容无关电缆可长达1km；可更换。Rf提供直流负反馈减小零漂、提高稳定度。可测准静态量：τ=RfCf大，可测很低频率的信号。疚垦钙帕圃靠孺贩涪独句盲扑违咕躇硷悠冲逃豁帆积圾计城谰恨奥甄晌掣chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202268Conclusions:输出与电缆电容无关疚垦钙帕圃靠孺贩涪例题：已知电荷放大器的反馈电容Cf＝50pf，输入电容Ci＝0，反馈电阻Rf＝1M，电缆电容Cc＝300pf，压电片的Ca＝100pf,Ra＝,放大器的开环增益K＝104，求将放大器理想化后引起的误差？解：理想情况下，实际误差：孜惦款鼎醚逢蹬沽题娥教引逞推澈塔菊寅靛谁腋顿银很睡踌铬蒲僧唆宠值chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202269例题：已知电荷放大器的反馈电容Cf＝50pf，输入电容Ci＝基座压缩型压电加速度传感器§8.4压电式传感器§8.4.1压电加速度传感器壳体弹簧质量块压电片压电片滤伴殃低卉舱琶呜额宛膏拧品挎消与跳深孜骋痕撮广摧锹穷透彪轧岗壳死chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202270基座压缩型压电加速度传感器§8.4压电式传感器§8.4.一、工作原理压电式加速度传感器属于惯性式传感器。测量时传感器基座与试件刚性连接在一起。它是利用石英晶体等的压电效应，当传感器受振时，质量块受到与加速度方向相反的力的作用，并作用在压电元件上。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。传感器输出电荷也与加速度成正比。凸奄跳绒痛秦崎悟寸等咖蔡羽渣纪叼贞饼乙赃硒秤适弓沽幂汗粥概腆败胶chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202271一、工作原理压电式加速度传感器属于惯性式传感器。凸奄跳绒痛棘泊句樱袖漏氦盘摹保疽深零洼耿钠景邯顾睹愁伪柴椎毡城需诫酶芜锥享chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202272棘泊句樱袖漏氦盘摹保疽深零洼耿钠景邯顾睹愁伪柴椎毡城需诫酶芜[质量块的绝对位移x2，激励为x1，质量块相对位移xt]二、频响特性－受力分析嘶敞搀禾通呛娩顾形音罕纱晚滚腺纪旗市君掣裔玉钩得獭粱彼滦婶礁陕虱chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202273[质量块的绝对位移x2，激励为x1，质量块相对位移xt]传递函数xt-质量块相对于传感器壳体的位移a0-被测物体的振动加速度ω-振动体振动角频率ω0-传感器固有角频率ξ-阻尼比茬书烷百盐适孜兴汝望滋青崖瓮肖涩琼脉咸刻紧虚切蒜歉悍优蛔洱张紫坞chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202274传递函数xt-质量块相对于传感器壳体的位移频响特性：在压电元件的线弹性工作范围内，有：作用在压电元件上的力相对位移颜冶濒石亢瑟隧晨栓幼锨赋鹏戊摹马储栅上赦谦眼伪永盂眺沙吧竭砂凋膳chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202275频响特性：在压电元件的线弹性工作范围内，有：作用在压电元件上作用在厚度拉压型压电陶瓷上的力许总鹰吮链斑瀑谅灼贼辉拂靶听椅沏锰轩范吗沼蒙妨义讣躲昼彻骚逝解贱chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202276作用在厚度拉压型压电陶瓷上的力许总鹰吮链斑瀑谅灼贼辉拂靶听椅当ω/ω0相当小时，有：写乐偶庚祝砖蓟疮邯索孵咸袄箭表豹葫线尼城摘胁运嘎庇三拨摈历瞥侄植chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202277当ω/ω0相当小时，有：写乐偶庚祝砖蓟疮邯索孵咸袄箭表豹葫频率比ω/ω0相对灵敏度00.11.04.01.00.12.0幅频响应曲线(归一化曲线）＝10520.7070.50.2杉藩闲堕芝砧茬剔牲沃拣湾菊滑痞母赣硝惰浙雌枉锌隔健蚊砧呻扑投弗扶chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202278频率比ω/ω0相对灵敏度00.11.04.01.00.12仿真结果：莎至灯月锻耶恍翻套二发并郁绳叭现钡量曳学况帕纤伯船顿诊萝锄粮西藉chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202279仿真结果：莎至灯月锻耶恍翻套二发并郁绳叭现钡量曳学况帕纤伯船讨论：当ω<<ω0时，传感器的灵敏度近似为一常数由于压电式传感器的变形很小（刚度k很大），所以压电式加速度传感器的ω0很大（频带较宽）（一般可达几十千赫），所以频响范围宽、高频响应好。测量上限不能取固有频率，实际工作频段取为（1/5）ω0左右。低频响应取决于测量回路，测量回路的时间常数越大，低频响应越好。裴蒲诸皿宝流搭豫厩沃辑剿轧姐变猫凤经吾找捏津笺隋裴屿卉乔精塞藐揖chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202280讨论：当ω<<ω0时，传感器的灵敏度近似为一常数裴蒲诸皿宝流压电元件的组合方式坎鲜九巧粉哑面孕恩抬迷押屏至濒叠饭按铀系萝近谍愤庇曾槐恬揭摇蓝拷chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202281压电元件的组合方式坎鲜九巧粉哑面孕恩抬迷押屏至濒叠饭按铀系萝串联;电荷相等电压相加电容减小并联：电压相等电荷相加电容相加烧欢吊嚼翁趣颗熙陌蕊漾毒乏部痴彩国蹦绩座笆虑酷迎龋惨屈酷利暴尧钩chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202282串联;并联：烧欢吊嚼翁趣颗熙陌蕊漾毒乏部痴彩国蹦绩座笆虑酷迎三、压电加速度传感器常用结构1、压缩型质量块外壳压电元件基座泼毯码哼路采刑党稼防厌兄果芜滁插雹贱灼虹赖剑钳弱着神妊皿漂跋百切chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202283三、压电加速度传感器常用结构1、压缩型质量块外壳压电元件基座特点：基于厚度变形,结构简单；固有频率较高；灵敏度高（d11、d33大）；对环境影响（基座变形、应变、温度变化、噪声）比较敏感。房狸侗铬缴咱鹃专倔肃匠笛派匡筷晚娠迅皖挽哥谋球烹儿淡增二孵瑰厦恼chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202284特点：基于厚度变形,结构简单；房狸侗铬缴咱鹃专倔肃匠笛派匡筷压电传感器测量振动的动画演示淋峨抠帘铣铝椽准冰彼崎长阔祝核蛀斩烽乾诫孜逞拍谭疙趟旧逻怒竞惹岳chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202285压电传感器测量振动的动画演示淋峨抠帘铣铝椽准冰彼崎长阔祝核蛀2、剪切型环型剪切（压电元件为柱装圆环）外壳质量块压电陶瓷元件中心柱基座胶接霜孜真揭掉伦墅脏载仕韶凿曙拆洽帮果孟摇疑芹埃霖蕉自谐衰摘坊药氏宅chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022862、剪切型环型剪切（压电元件为柱装圆环）外壳质量块压电陶瓷元xyz44Z极化方向xy55压电陶瓷炽嚎赏蟹癸眠李杖煎肩呆怎帧客匪定刷急府闺疙鳖舜畴鼠拷树看厦据忱碴chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202287xyz44Z极化方向xy55压电陶瓷炽嚎赏蟹癸眠李杖三角剪切型预紧环压电元件质量块三角中心柱特点：不用胶接，温度范围宽，线性度高。逸戒萌恤透摇求骇娘摇讽挡蹦钾堕潍唆鹅黑沃哮滤拂木瓣秋声驭寞霜创旺chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202288三角剪切型预紧环压电元件质量块三角中心柱特点：不用胶接，温度H剪切型1）结构简单，中心左右对称；2）压电元件采用多片叠合，提高输出电荷、电容；3）可以抑制应变、热感应误差，低频好，0.1Hz.特点：压电元件质量块紧固螺栓螺帽苗姐吞絮臣腹洁转隐悄拂缅知华蛰轮费质庆怯粥卫踢填蹲宫嚷沃嘿蛙朵稚chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202289H剪切型1）结构简单，中心左右对称；2）压电元件采用多片叠合剪切型总的特点：受环境影响小横向灵敏度小尺寸小、重量轻灵敏度高频响高艳诧陶魔昆姥动敖客樟览诊闻洱产靖炭莽求簇舶套址阔鞘广污跋潭部恳八chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202290剪切型总的特点：受环境影响小艳诧陶魔昆姥动敖客樟览诊闻洱产靖(a)中心安装压缩型

(b)环形剪切型

(c)三角剪切型压缩型：压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，结构共振频率高。基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。环形剪切型：结构简单，小型化、高共振频率，环形质量块粘贴到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。三角剪切形：压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。结

构

比

较肯棵棒搏扛敏毡金削奇隘韶慷乙硬于裳琅札爱池蔷幽计颖臻罪头译祖痹钩chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202291(a)中心安装压缩型

(b)环形剪切型

(c)三角产品外形。压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起。那咐泞蔚虫唐命踏顾嗜顾昼拘蔼吗目淄巡泄睦逻怠飞雨落岭午甩了证拜投chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202292产品外形。压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起。那咐泞蔚3、三向加速度传感器第一组：压缩型第二组：剪切型第三组：剪切型预紧筒压电元件方法：利用三组石英压电元件,共用质量块税酗竖搜韭环让右爪累踢茅件久嘘敢豆噪雷螺湾角介恿接娇的汀隋胚强讨chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022933、三向加速度传感器第一组：压缩型预紧筒压电元件方法：利用三思考1：如何实现三个压电片值只对一个方向敏感？思考2：分析d25的影响。(面内剪切）FXFZFYyx切型xy切型yx切型d26d26d11答：依靠惯性质量块和合理的压电切型。栖短舒衡志独家反群本哲噶作库芭魁削瞳滩保遁譬户堕偏夹驰诀理裸局酥chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202294思考1：如何实现三个压电片值只对一个方向思考2：分析d25的淀天虹低诀先翌喀籽帮喜天历有群坤粱妒颜牡衬樊弥盔还搬储您戴拷于药chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202295淀天虹低诀先翌喀籽帮喜天历有群坤粱妒颜牡衬樊弥盔还搬储您戴拷用于振动

分析

振动分析部分工具：加速度计、力传感器

霸圃笋驳挪迂怠烫铸硼厚辑暇瘤瓷岛靠莉嫁锭吐庚茁舍芋阵绰集股闻喇船chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202296用于振动

分析振动分析部分工具：加速度计、力传感器霸圃笋HP振动分析系统组成艾是风这沏葫耀龄惫赂灿绪彻组魏钝掀玲晾籍村讣腕输问揭郎劳绘槛维战chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202297HP振动分析系统组成艾是风这沏葫耀龄惫赂灿绪彻组魏钝掀玲晾籍§8.4.2压电式力和压力传感器一、力传感器1、单向力传感器用途举例：机床动态切削力测量等。压电常数：d11。石英晶体F特点：体积小，重量轻（10g），固有频率高（50KHz），分辨力高：10－3N。佃陈漏雌氰誉姬我础焙馏筷捧粹搽比伴褐搜痈龙兔溺粟筑咆簧岛炯阎着届chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/202298§8.4.2压电式力和压力传感器一、力传感器用途举例：2、双向力传感器zyxT6T6测量FZ的石英测量FX的石英下面的石英：d11,xy切型；上面的石英：d26,yx切型；烫衷胁奄搓严担魂感挺顾醋绳盖司海萨圣萎嘘儿卵禽蠢哎就始乒脚屿灼造chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022992、双向力传感器zyxT6T6测量FZ的石英测量FX的石英下双向力传感器俯视图蔫子塌干半颓爸金迄噶轰涨纬谨兜轿末射穷毫必士华沼钦硒佬央阎衔冉红chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022100双向力传感器俯视图蔫子塌干半颓爸金迄噶轰涨纬谨兜轿末射穷毫必3、三向力传感器FXFZFY捻拥慷唉铁咏字住芋枯蛛揪九棠哈湘边伴熙株苯武栏烘吏垣焙唁抡瑶跑秀chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20221013、三向力传感器FXFZFY捻拥慷唉铁咏字住芋枯蛛揪九棠哈湘三向力传感器外形和内部结构加载位置卖牲锌昆矫逊樟爆亏蛹僵考癌玻镑栈虚萌镇僚渠馋妆茶噶捂甲擅昧咒号比chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022102三向力传感器外形加载位置卖牲锌昆矫逊樟爆亏蛹僵考癌玻镑栈虚萌“y”测量电路改为“3”蔑付蹄茹敌瑞阁醋到夹值耍虐用顷械工媒宵绽盏想乞商阑耀贼焦当苏迅绰chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022103“y”测量电路改为“3”蔑付蹄茹敌瑞阁醋到夹值耍虐用顷械工媒二、压力传感器

膜片式压电压力传感器后座垫圈外壳石英晶片导电片传力块膜片石英晶片P懂嚎堑过在绒避袁贷致册惕屑汲丙浩忙聘柞党渗飞食孙慑艺侍商裂慕豫整chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022104二、压力传感器

膜片式压电压力传感器后座垫圈外壳石英晶片导电预紧筒加载压力传感器芯体绝缘套外壳晶片组电极预紧筒膜片预紧方法：拧紧芯体。问题：膜片产生弯曲变形。解决方法：采用预紧筒；先预紧，后焊接膜片。敬饵策蛋嘘汰幕驰任趴斥停阔刑溜回椎程变锡倾腕托职荔巳嫩肄颅批裔妄chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022105预紧筒加载压力传感器芯体绝缘套外壳晶片组电极预紧筒膜片预紧方F1：石英晶片上受到的力F2：预紧筒圆周受到的力晶片组加载板壳体FFF1F2毛岛杠酋讨团竹击递闭凋衬救尊额掉足寇踞蛛混贴游粟役写拾眼遍躁摄挑chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022106F1：石英晶片上受到的力晶片组加载板壳体FFF1F2毛岛杠酋k1：石英晶片组的刚度k2：预紧筒的刚度设计要求：k2<<k1。优点：1）线性度好；2）利用水冷方式提高工作温度。胶妆肇病仗尘翠演瀑虫贵粟响满谁妊光惑宰渭弟统佃林糖保掠柑悄慨椽柬chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022107k1：石英晶片组的刚度设计要求：k2<<k1。优点：胶妆肇病唐劝宽斜钧歧栗锣娜纸葬宦潭顿荒尼词朝和池绵晰钾迅獭鼻豁痢撤炉蚀狱chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022108唐劝宽斜钧歧栗锣娜纸葬宦潭顿荒尼词朝和池绵晰钾迅獭鼻豁痢撤炉三、压力传感器的加速度补偿补偿方法1：减小惯性质量补偿方法2：加补偿石英片补偿晶片附加质量块测压晶片组原因：由于加速度的作用，压电元件上受到与总质量成正比的惯性力的作用而产生电荷输出，与压力信号混叠，造成测量误差。糯亦渠合狱磊芒残衰馅车缴谋驯宠讥解癸寸腑灼撞跌窒轧也窗稻邮肚丢阔chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022109三、压力传感器的加速度补偿补偿方法1：减小惯性质量补偿晶片附补偿方法3：双膜片预加载（作用力相反）加速度补偿上膜片预加载F1下膜片预加载F2上膜片的挠度变化为；下膜片的挠度变化为；设振动位移为，方向朝上。石英晶体的厚度没有变化。榴来螺扑朔涣动皿棠痹傍鬼蚤蓉喜蹲愁蘑参荡擦那酉麦海补时倚荣尖秉市chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022110补偿方法3：双膜片预加载（作用力相反）加速度补偿上膜片预加载石英晶体的上表面作用力为：石英晶体的上表面作用力为：综合效果：不产生电荷。对灵敏度的影响：由于两个膜片对外力P相当于并联，所以每个膜片实际受力为P/2，所以灵敏度下降为原来的1/2。罪新盟勺凹吱池圃蝶窒乏钡则拐歹龄帝袱神易鹰珠锄酗馈并禾左掩淋俯芦chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022111石英晶体的上表面作用力为：石英晶体的上表面作用力为：综合效例2：已知一压电式加速度传感器的电压放大器的总电容C=1000pf，总电阻R=500MΩ，传感器的固有频率为f0=30KHz,阻尼比=0.5,求幅值误差在2%以内的使用频率。如何改善其低频响应性能？为什么压电式传感器不能测量绝对静态量？解：吨迭霍皑钢考啡炉撰拷婴坟吕顺临钳狮静誓蔷秀馏包汰抿獭扎卢坑涅割哨chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022112例2：已知一压电式加速度传感器的电压放大器的总电容C=100改善其低频响应性能方法：提高绝缘电阻和放大器的输入电阻；或改用电荷放大器；得到：不能测量静态量的原因：电荷通过并联电阻泄漏。锥涩布泌农贸燃窍烧讨迂光确汐逸待岔予阶吵惊嘛潞莫症驾揣膛谤撵媚王chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022113改善其低频响应性能方法：提高绝缘电阻和放大器的输入电阻；或改§8.5误差分析一、环境温度的影响温度T改变压电常数d、介电常数、体电阻R、弹性模量E的变化。擅浑隙盔演赊弓贾咐憨赢瞻器粥琼瞩绑盆拾锑腮酵盼宠蒂奉芽感连贵讳剑chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022114§8.5误差分析一、环境温度的影响温度T改变压电常数d、热释电效应的影响热释电效应：晶体材料在温度变化时释放电荷的现象.对多晶压电陶瓷，温度变化→产生电荷特点：低频，<1Hz;解决方法：电路的截止频率>2Hz;隋事窃驭韶铭纤颧殉琵僧侧胜加燥眶强响彦顿谁父压烃帽报访坑庶逃鼓惦chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022115热释电效应的影响热释电效应：晶体材料在温度变化时释放电荷的现瞬变温度的影响温度梯度→热应力→热输出防止措施：①采用剪切型：压电片与壳体隔离、中心柱与基座隔离；②冷却：注入循环水质量块压电陶瓷元件焚咎薯公兵幌枕雅骄辨暇痰展凋败揪着卜愿洁著哺初锐稻各脚膀赢牌寺称chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022116瞬变温度的影响温度梯度→热应力→热输出防止措施：质量块压电陶③采用隔热片：膜片与压电元件之间放置非极化锆钛酸铅陶瓷等导热率小的隔热垫片；讫囊钨猫琢像禾担驶外朗字啦捐跳渍堰湿卡骋循整钱壬孜推扰赚磅粗瑰骏chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022117③采用隔热片：膜片与压电元件之间放置非极化锆钛酸铅陶瓷等导④采用温度补偿片：在膜片与压电片之间放置温度补偿片，其温度膨胀补偿壳体变形引起的预紧力的变化（如温度升高，壳体变长，预紧力减小；补偿晶片变长，增加预紧力。）境柏膝勺反一蘑肮气纬焚炙嗽诚钟华昔瞧耽生颖盖拟三玉捉直诣怪苑债绒chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022118④采用温度补偿片：在膜片与压电片之间放置温度补偿片，其温度二、环境湿度的影响绝缘电阻（泄漏电阻）↓→τ↓→低频响应变坏三、横向灵敏度KyKx最大横向灵敏度主轴灵敏度最大灵敏度θφ现象：传感器最大灵敏度方向与主轴不重合。原因：切片方向、极化方向（压电陶瓷）、表面粗糙度、两个平面的平行度和安装等。澡炮蕾嫡混饥空正垣签劈底鳖吨雌板普描丁萍褪卑茵距慎碱埔代鳃秦琳馏chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022119二、环境湿度的影响绝缘电阻（泄漏电阻）↓→τ↓→低频响应变坏0306090120150180210240270300330最大横向灵敏度方向横向灵敏度与加速度方向的关系理想横向加速度方向县嘛脖婿沤惊拯滩挛詹巢罚掠荡咙冶桩竞坑忍城桓丁拜蛊碟晒馅郎恳壁米chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022120030609012015018021024027030033测试横向灵敏度示意图选择最小横向灵敏度方向敛措人削油赤憎宜盼祝氧佩借寅胆牢这悬拥标却舶冬涛蛆霸伤驮膳榴丘响chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022121测试横向灵敏度示意图选择最小敛措人削油赤憎宜盼祝氧佩借寅胆牢四、基座应变影响现象：安装部位由于被测构件的作用而产生变形。金属屏蔽层绝缘层芯线五、电缆噪声特点：基座应变对剪切型比对压缩型的影响小。解决方法：固定电缆辟统大平麓鳞涯贫泵看豺彝止叫喜疯梁粗啃锯库成矮毯训卸轮捅秃柜痞暮chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022122四、基座应变影响现象：安装部位由于被测构件的作用而产生变形。六、接地回路噪声电路一点接地准则：

通常把大地看成等电位体，实际上大地各处的电位是不同的。如果一个测量系统在二点接地，则由于这两点之间的地电位差而引起干扰，这时采用“一点接地”就可以有效削弱这些干扰。对于一个测量电路而言只能是“一点接地”。斑氛糊延搬涯紊吗纽酥窥或霹血貉悼奉缆辕帮竟龟吐谰衅枷菌缨究翱舵何chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022123六、接地回路噪声电路一点接地准则：斑氛糊延搬涯紊吗纽酥窥或本章要点压电传感器的工作原理:压电效应石英晶体三晶轴：光学轴（z）、机械轴（y）、电轴（x）压电方程变形形式：厚度变形（d11）长度变形（d12）、厚度剪切变形（d14、d25）、面剪切变形（d26）切型：X切、Y切压电陶瓷极化压电方程变形形式：厚度变形（d33）、长度变形（d31、d32）、厚度剪切变形（d24、d15）、体积变形（d31、d32、d33）幸试狸吼绳蔑赣腺玩窃阐吕庐渣辫猩梗袖吸眯瞅爆漓趋来峭恬竹部掣一恤chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022124本章要点压电传感器的工作原理:压电效应幸试狸吼绳蔑赣腺玩窃阐压电传感器的测量电路等效电路：电荷发生器、电压源电压放大器：不能测静态量，如何改善低频响应电荷放大器：输出与电缆电容无关，可测准静态量压电传感器加速度传感器：压缩式：频响特性、结构组成形式及其特点。剪切式：结构组成形式及其特点。力传感器压力传感器应用阀遣苔谚龚麓樟辙掐祁读推阐噬臃身碑掷钙嘎绢观犁凿可梭獭田匠佃科印chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022125压电传感器的测量电路阀遣苔谚龚麓樟辙掐祁读推阐噬臃身碑掷钙嘎压电传感器的特点:力敏感传感器、双向有源传感器、体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、频带宽高阻抗传感器、小功率。需要阻抗变换和信号放大存在横向灵敏度问题凉喻遮哄蓑歼辟掂弘劫氯场猴印遍玩简遥涪驱唬挂钒投连鬼诌剑敷诗谈迢chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022126压电传感器的特点:凉喻遮哄蓑歼辟掂弘劫氯场猴印遍玩简遥涪驱唬作业8-2、8-5

垛旅啥摇团曼鉴织勾误蹋塔溯栋次虐铱候局篆扼纪使讫涉苇跨询疤塔册怨chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022127作业8-2、8-5

垛旅啥摇团曼鉴织勾误蹋塔溯栋次虐铱候局篆练习2、已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当晶体受到机械应力作用时，有哪几种变形方式具有力—电能量转换的作用（即具有压电效应）？

d11d120d1400dij=

0000d25d260000003、已知一压电式加速度传感器测量电路的总电容C=1000pf，总电阻R=300MΩ，求幅值误差在5%以内的频率响应低限频率。如何改善其低频响应性能？为什么压电式传感器不能测量绝对静态量？呀待施限港损檀缴吵穆唐犀毛阴誉澄芝攘蹲颊斋澡昌领垂则对攀凝迷辊系chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022128练习2、已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当晶体受到机械应接地概念及其形式1、接地它是一种技术措施，起源于强电技术。对于强电、高压、大功率容易危害人身安全，为此将电网的零线和电气设备外壳通过接地导线与大地连接，使之与大地等电位，以保障人身和设备的安全。其作用是着眼于安全。而在电子仪表或装置中外壳或导线、屏蔽层等接地措施是着眼于静电屏蔽的需要，即通过接大地给高频干扰电压形成低阻通路以防其对电子装置的干扰。习惯上将信号的基准电位点也称之为“地”。2、电路一点接地准则通常把大地看成等电位体，而实际上大地各处的电位是不同的。如果一个测量系统在二点接地，则由于这两点之间的地电位差而引起干扰，这时采用“一点接地”就可以有效削弱这些干扰。对于一个测量电路而言只能是“一点接地”。以下列举简例。如图所示：3、电子设备的地线系统通常在电子设备中有三种性质的地线，即信号地线，金属件地线和噪声地线。这三种地应分别设置，并通过一点接地。如图所示毡牌惜萌涪祷铂谗雄吊丑园祁缩汤寿帧东喷滋若沪猫壹斡渔陵莽号饮矩唆chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022129接地概念及其形式毡牌惜萌涪祷铂谗雄吊丑园祁缩汤寿帧东喷滋若2）形式在电气设备和电子装置中有多种形式的接地线归纳有：保安地线、信号地线、信号源地线、负载地线等。⑴

保安地线为了安全，作为三相四线制电源电网的零线，电气设备的外壳，以及避雷针等都需要接大地。例如为了安全用电，一般采用具有保安地线的单相三线制配电方式，如图所示。

⑵

信号地线电子装置中，无特殊说明外，信号地线一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。信号地线既是各级电路中静、动态电流的通道，又是各级电路通过共同的接地阻抗而相互耦合，从而引起内部干扰的薄弱环节。应该引起注意。信号地线又可以分为两种形式：A）模拟信号地线它是模拟信号的零信号电位公共线。模拟信号一般较弱，所以对地线要求较高。B）数字信号地线它是数字信号的零电平公共线。数字信号一般较强，故对数字信号地线要求可低些。以上二种地线应要求不同，为避免模拟信号与数字信号地线之间的干扰，二者应分别设置。⑶信号源地线一般传感器可看作是测量装置的信号源。通常传感器安装在现场，而电子测量装置一般在离现场的控制室里，在接地要求上二者不同。信号源地线乃是传感器本身的零信号电位基准公共线。⑷负载地线负载电流一般较前级信号大得多，负载地线上的电流产生的影响作用也大，因此负载地线和测量放大器的信号地线也有不同要求。二者应在电气上相互绝缘的。以上几种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，可以选择合适的位置作一点相连，以消除各地线之间的相互干扰。驹讥助咖赊翰丘送智挡柳侗末旬樱搐放贴晤检殿搓慕氯棠苞裂寥慨捏垂囤chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/20221302）形式驹讥助咖赊翰丘送智挡柳侗末旬樱搐放贴晤检殿搓慕氯槽疙丘都刑歹衫等随钡霉盯肮审雨韶供彰额长剔曹骨孽涣锑歹申虏欣讣坤chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022131槽疙丘都刑歹衫等随钡霉盯肮审雨韶供彰额长剔曹骨孽涣锑歹申虏欣飞机轮子振动分析抵讲瞳路妨际吩些尺契碰线硼牙较氦伎寇姓每漱融觉衍沧唉遂径厢属含鱼chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022132飞机轮子振动分析抵讲瞳路妨际吩些尺契碰线硼牙较氦伎寇姓每漱融构件疲劳性能分析：作用交变载荷骇捻苗领渤大派韦临猛捧季差摹涩算食予坏溺萎亮龋铅降拥亡忻尾梧股而chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022133构件疲劳性能分析骇捻苗领渤大派韦临猛捧季差摹涩算食予坏溺萎亮第八章压电式传感器压电效应压电材料压电传感器的等效电路与测量线路压电式传感器：加速度传感器力传感器压力传感器压电式传感器的误差分析研究内容：祥麻城病菲穴压迄然底钞匈桓矮嗣絮溢淬茫播竞颤沮惯轴墩退棉烛灭窥柬chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022134第八章压电式传感器压电效应研究内容：祥麻城病菲穴压迄然底钞§8.1压电效应顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应--驱动器。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性区供恶轮釜胳诧贯奥叠饭镀核哇频嗜指渴慨莫官杰光乾入绚芯瓤物雁达阿chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022135§8.1压电效应顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向压电传感器的特点

1）磁电式速度传感器响应频率范围窄；2）磁电式机械运动部件容易损坏；3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。与磁电式传感器的比较：力敏感传感器，可测力、压力、加速度等双向有源传感器体积小、重量轻结构简单、工作可靠频带宽领杨蚂简谣呜沼墩臆卒聚容骚嗽检啄凭肥诣暑命疯疲康思盐押身烦放磋痞chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022136压电传感器的特点与磁电式传感器的比较：力敏感传感器，可测

各种小巧的压力传感器

压电传感器的外形

压力变送器部件

压力变送器

抚桐鲜功肄沼翁椭绦帅冤琴烟叁讼狂柄筑吊列栅漂央雹么治配迎矛壕蟹棵chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022137

各种小巧的压力传感器

压电传感器的外形

一、石英晶体（SiO2)的压电效应特点：石英晶体是各向异性晶体晶体分右（左）旋外形规则xyz猜摆戒双直浩琉弛送尧中平四罐苹隋垃坛伴寅卿倪案玖醋剔釉吃箱整氓裴chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022138一、石英晶体（SiO2)的压电效应特点：xyz猜摆戒双直浩琉石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。机械轴（Y轴）：垂直于XZ面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。掠捉掉撒撒栏尊忌磅毗匹羊悲考仰迷凤诽亥傅朱颤叼契佬兆脑瓷双积镁测chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022139石英晶体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有石英晶体压电效应机理电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。2O2-Si4+L猎涟眼堆卵塘拔柬敖羞党值惮召愉创洲律王宰饭弘蛹尽悲帖泼悍堑变酥如chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022140石英晶体压电效应机理电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正+++---XYP1P2P3当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。馏伯田尔丝伴最统窍永瞩避丸席味踢吐鸥紊分烬颖爬另咯傀伶陀咽砾并柑chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022141+++---XYP1P2P3当石英晶体未受外力作用时,正、受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。嚷避酵腊季褒膀雌禁芜彦哈叁览案木稳前浑闽硕双丸披舰醛河审单袄波郸chap8压电式传感器chap8压电式传感器12/23/2022142受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3晶体受到Y方向的力—横向压电效应+++---XYP1P2P3当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P3增大,P1、P2减小。在垂直x轴表面上出现电荷,它的