《g压电式传感器》PPT课件.pptx

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1、2.4 压 电 式 传 感 器 一 、 压 电 效 应二 、 压 电 材 料三 、 测 量 电 路四 、 压 电 传 感 器 的 应 用 1 原 理 ： 基 于 某 些 电 介 质 的 压 电 效 应 ， 属 自 源 型 传 感 器功 能 ： 压 电 元 件 是 力 敏 元 件 ， 能 测 量 最 终 能 变 换 为 力 的物 理 量 ， 例 如 力 、 压 力 、 加 速 度 等 。特 点 ： 响 应 频 带 宽 、 灵 敏 度 高 、 信 噪 比 大 、 结 构 简 、 工作 可 靠 、 重 量 轻 ； 主 要 不 足 ： 无 静 态 输 出 ， 输 出 阻 抗 高应 用 ： 随 着 与

2、压 电 传 感 器 件 配 套 的 二 次 仪 表 及 低 噪 声 、小 电 容 、 高 绝 缘 电 阻 电 缆 的 出 现 ， 压 电 传 感 器 的 使 用更 方 便 。 在 工 程 力 学 、 生 物 医 学 、 石 油 勘 探 、 电 声 学等 许 多 技 术 领 域 中 获 得 广 泛 应 用 。 2.4 压 电 式 传 感 器 2 一 、 压 电 效 应正 压 电 效 应 ：某 些 电 介 质 ， 当 沿 着 一 定 方 向 对 其 施 力 而 使 它 变 形 时 ， 其 内部 产 生 极 化 现 象 ， 同 时 ， 在 其 一 定 的 表 面 上 产 生 电 荷 ； 当 外力 拆

3、 除 后 ， 又 重 新 恢 复 不 带 电 状 态 的 现 象 ， 当 作 用 力 方 向 改变 时 ， 电 荷 极 性 也 随 着 改 变 。逆 压 电 效 应 （ 电 致 伸 缩 效 应 ） ：当 在 电 介 质 的 极 化 方 向 施 加 电 场 ， 这 些 电 介 质 就 在 一 定 方 向上 产 生 机 械 变 形 或 机 械 压 力 ， 当 外 加 电 场 撤 去 时 ， 这 些 变 形或 应 力 也 随 之 消 失 的 现 象 。电 能 机 械 能正 压 电 效 应 逆 压 电 效 应 3 天 然 形 成 的 石 英 晶 体 外 形压 电 晶 体 及 其 压 电 效 应 4 石

4、 英 晶 体 切 片 及 封 装石 英 晶 体 薄 片 双 面 镀 银 并 封 装 5 石 英 晶 体 振 荡 器 （ 晶 振 ） 石 英 晶 体 在 振 荡电 路 中 工 作 时 ， 压 电效 应 与 逆 压 电 效 应 交替 作 用 ， 从 而 产 生 稳定 的 振 荡 输 出 频 率 。晶 振 6 当 力 的 方 向 改 变 时 ， 电 荷 的 极 性 随 之 改 变 ， 输出 电 压 的 频 率 与 动 态 力 的 频 率 相 同 ； 当 动 态 力 变 为 静态 力 时 ， 电 荷 将 由 于 表 面 漏 电 而 很 快 泄 漏 、 消 失 。 7 石 英 晶 体 的 压 电 效 应

5、 8 光 轴 : 纵 向 Z轴 ；电 轴 : 经 过 正 六 面 体 棱 线 ， 并 垂 直 于 光 轴 的 X轴 ；机 械 轴 : 与 X轴 和 Z轴 同 时 垂 直 的 Y轴 ,垂 直 于 六 面 体 的 棱 面 。纵 向 压 电 效 应 : 沿 电 轴 X方 向 的 力 作 用 下 产 生 电 荷 的 压 电 效 应 ；横 向 压 电 效 应 : 沿 机 械 轴 Y方 向 的 力 作 用 下 产 生 电 荷 的 压 电 效 应 ；沿 光 轴 Z方 向 受 力 则 不 产 生 压 电 效 应 。ZX Y理 想 石 英 晶 体 的 外 形 和 坐 标 系Z YX（ 一 ） 石 英 晶 体 的

6、 压 电 机 理天 然 石 英 晶 体 的 结 构 外 形 可 视 为 一 个 六 角 棱 柱 体 9 石 英 晶 体 的 压 电 效 应 由 其 内 部 结 构 决 定 。 组 成 石 英 晶 体 的硅 离 子 Si4+和 氧 离 子 O2-在 Z平 面 投 影 ， 如 图 (a)。 为 讨 论 方 便 ，将 这 些 硅 、 氧 离 子 等 效 为 图 (b)中 正 六 边 形 排 列 ， 图 中 “ ” 代表 Si4+， “ ” 代 表 2O2-。 (b)(a) + - -Y XXY硅 氧 离 子 的 排 列 示 意 图 (a) 硅 氧 离 子 在 Z平 面 上 的 投 影（ b） 等 效

7、 为 正 六 边 形 排 列 的 投 影 + 石 英 晶 体 压 电 效 应 机 理 解 说 ： 10 11 当 作 用 力 FX=0时 ， 正 、 负 离 子 （ Si4+和2O2-） 正 好 分 布 于 正 六 边 形 顶 角 ， 形 成 三个 互 成 120夹 角 的 偶 极 矩 P1、 P2、 P3， 如 图（ a） 所 示 。 此 时 正 负 电 荷 中 心 重 合 ， 电 偶极 矩 的 矢 量 和 等 于 零 ， 即 P1 P2 P3 0 无 电 荷 出 现 。 如 图 b所 示 , 当 晶 体 受 沿 X方 向 的 压 力 （ FX0； 在 Y、 Z方 向 上 的 分 量 为 ：

8、(P1+P2+P3)Y=0 ， (P1+P2+P3)Z=0由 上 可 知 ， 在 FX作 用 下 ， X轴 的 正 向 出 现正 电 荷 ， 在 Y、 Z轴 方 向 则 不 出 现 电 荷 。 Y + - - X(a) FX=0P1 P2 P3F X XY + FX(b) FX0+- -P1P2P3 12 可 见 ， 当 晶 体 受 X(电 轴 )方 向 的 力 FX作 用 时 ， 它 在 X方向 产 生 正 压 电 效 应 ， 而 Y、 Z方 向 不 产 生 压 电 效 应 。 晶 体 在 Y轴 方 向 力 FY作 用 下 的 情 况 与 FX相 似 。当 FY 0时 ， 晶 体 的 形 变

9、 与 图 （ b） 相 似 ； 当 FY 0时 ， 则 与图 （ c） 相 似 。 可 见 ， 晶 体 在 Y（ 即 机 械 轴 ） 方 向 的 力 FY作用 下 ， 使 它 在 X方 向 产 生 正 压 电 效 应 ， 在 Y、 Z方 向 则 不 产生 压 电 效 应 。 （ P1+P2+P3） X0Y + - X-+ FX FXP2 P3P1+ 当 晶 体 受 到 沿 X方 向 的 拉 力 （ FX 0） 作 用 时 ， 其 变 化 情况 如 图 （ c） 。 此 时 电 偶 极 矩 的 三 个 分 量 为 ：在 X轴 正 向 出 现 负 电 荷 ， 在 Y、 Z方向 则 不 出 现 电

10、荷 。 13 晶 体 在 Z轴 方 向 力 FZ作 用 下 ， 因 为 晶 体 沿 X和 沿 Y方 向所 产 生 的 正 应 变 完 全 相 同 ， 正 、 负 电 荷 中 心 保 持 重 合 ， 电偶 极 矩 矢 量 和 等 于 零 。 这 表 明 ， 沿 Z(即 光 轴 )方 向 的 力 FZ作用 下 ， 晶 体 不 产 生 压 电 效 应 。 假 设 从 石 英 晶 体 上 切 下 一 片 平 行 六 面 体 晶 体 切 片 ，使 它 的 晶 面 分 别 平 行 于 X、 Y、 Z轴 ， 如 图 。 在 垂 直 X轴 方 向两 面 用 真 空 镀 膜 或 沉 银 法 得 到 电 极 面

11、， 就 得 到 压 电 元 件 。 当 晶 片 受 沿 X向 的 压 缩 应 力 XX作 用 时 ， 晶 片 将 发 生 厚 度 变形 ， 并 产 生 极 化 现 象 。 Z YX bl石 英 晶 体 切 片t 14 式 中 FXX轴 方 向 的 外 力 ； d11压 电 系 数 ， 受 力 方 向 和 变 形 不 同 时 ， 压 电 系 数也 不 同 ， 石 英 晶 体 的 d11=2.3 10-12CN-1； l、 b石 英 晶 片 的 长 度 和 宽 度 。 极 化 强 度 PXX在 数 值 上 等 于 晶 面 上 的 电 荷 密 度 ， 即 式 中 qX垂 直 于 X轴 平 面 上 的

12、 电 荷 。将 上 两 式 整 理 ， 得 lbFddP XXXXX 1111 lbqP XXX 式 中 电 极 面 间 电 容 。 XX Fdq 11 XXXXX CFdCqU 11t lbC rX 0其 极 间 电 压 为 在 晶 体 线 性 弹 性 范 围 内 ， 极 化 强 度 PXX与 XX成 正 比 ， 即 ： 15 根 据 逆 压 电 效 应 ， 晶 体 在 X轴 方 向 受 电 场 作 用 时 将 产 生伸 缩 ， 即 ， 或 用 应 变 表 示 ， 则式 中 EXX轴 方 向 上 的 电 场 强 度 。 在 X轴 向 加 压 力 时 ， 左 旋 石 英 晶 体 的 X轴 正

13、向 带 正 电 ；如 果 作 用 力 FX改 为 拉 力 ， 则 在 垂 直 于 X轴 的 平 面 上 仍 出 现 等量 电 荷 ， 但 极 性 相 反 ， 见 图 (a)、 (b)。 XX EdtUdtt 1111 (a) (b)FX+ + + + X FX + + + +X t=d11UX 如 果 在 同 一 晶 片 上 作 用 力 是 沿 机 械 轴 方 向 ， 其 电 荷 仍 在与 X轴 垂 直 平 面 上 出 现 ， 其 极 性 如 图 （ c， d） ， 此 时 电 荷 的大 小 为 ： YYXY FtldFtblbdq 1212 其 中 ， D12为 石 英 晶 体 在 Y轴 方

14、 向 受 力 时 的 压 电 系 数 。(c) (d)+ + + + FY X + + + +FY X 16 根 据 石 英 晶 体 轴 对 称 条 件 ： d11= d12， 则 有 ：式 中 t晶 片 厚 度 。则 其 极 间 电 压 为 ： YXY Ftldq 11XYXXYX CFtldCqU 11 根 据 逆 压 电 效 应 ， 晶 片 在 Y轴 方 向 将 产 生 伸 缩 变 形 ， 即 或 用 应 变 表 示 为 ：结 论 ： 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 ； 晶

15、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 ； 石 英 晶 体 不 是 在 任 何 方 向 都 存 在 压 电 效 应 的 。 XUtldl 11 XEdll 11 17 （ 二 ） 压 电 陶 瓷 的 压 电 效 应 压 电 陶 瓷 属 铁 电 体 类 的 物 质 、 人 造 的 多 晶 压 电 材 料 ，有 类 似 铁 磁 材 料 磁 畴 结 构 的 电 畴 结 构 。 电 畴 是 分 子 自 发 形 成的 区 域 ， 它 有 一 定 的 极 化 方 向 ， 从 而 存 在 一 定 的 电 场 。 无 外电 场 作 用

16、时 ， 各 电 畴 在 晶 体 内 杂 乱 分 布 ， 它 们 的 极 化 效 应 相互 抵 消 ， 使 原 始 压 电 陶 瓷 内 极 化 强 度 为 零 。 极 化 处 理 后 ， 保留 一 定 的 剩 余 极 化 。 直 流 电 场 E 剩 余 极 化 强 度 剩 余 伸 长电 场 作 用 下 的 伸 长(a)极 化 处 理 前 (b)极 化 处 理 中 (c)极 化 处 理 后 18 19 把 电 压 表 接 陶 瓷 片 的 两 个 电 极 上 进 行 测 量 时 ， 无 法 测 出陶 瓷 片 内 部 存 在 的 极 化 强 度 。 因 陶 瓷 片 内 的 极 化 强 度 总 是 以电

17、 偶 极 矩 的 形 式 呈 现 ， 在 陶 瓷 的 一 端 出 现 正 束 缚 电 荷 ， 另 一端 出 现 负 束 缚 电 荷 。 束 缚 电 荷 的 作 用 使 陶 瓷 片 的 电 极 面 上 吸附 一 层 来 自 外 界 的 自 由 电 荷 。 这 些 自 由 电 荷 与 陶 瓷 片 内 的 束缚 电 荷 极 性 相 反 而 数 量 相 等 ， 起 屏 蔽 和 抵 消 陶 瓷 片 内 极 化 强度 对 外 界 的 作 用 。 所 以 电 压 表 测 不 出 陶 瓷 片 内 的 极 化 程 度 。 自 由 电 荷束 缚 电 荷电 极 电 极 极 化 方 向陶 瓷 片 内 束 缚 电 荷

18、与 电 极 上 吸 附的 自 由 电 荷 示 意 图 20 若 在 陶 瓷 片 上 加 一 个 平 行 于 极 化 方 向 的 压 力 F， 如 图 ，陶 瓷 片 将 产 生 压 缩 形 变 （ 虚 线 ） ， 片 内 正 、 负 束 缚 电 荷 之间 的 距 离 变 小 ， 极 化 强 度 也 变 小 ， 原 来 吸 附 在 电 极 上 的 自由 电 荷 的 一 部 分 被 释 放 ， 出 现 放 电 荷 现 象 。 当 压 力 撤 消 后 ，陶 瓷 片 恢 复 原 状 (这 是 一 个 膨 胀 过 程 )， 片 内 正 、 负 电 荷 之间 的 距 离 变 大 ， 极 化 强 度 也 变

19、大 ， 因 此 电 极 上 又 吸 附 部 分自 由 电 荷 而 出 现 充 电 现 象 。 这 种 由 机 械 效 应 转 变 为 电 效 应或 由 机 械 能 转 变 为 电 能 的 现 象 称 为 正 压 电 效 应 。 极 化 方 向正 压 电 效 应 示 意 图（ 实 线 代 表 形 变 前 的 情 况 ， 虚 线代 表 形 变 后 的 情 况 ）F 21 同 样 ， 若 在 陶 瓷 片 上 加 一 个 与 极 化 方 向 相 同 的 电 场 ，如 图 ， 由 于 电 场 方 向 与 极 化 方 向 相 同 ， 所 以 电 场 的 作 用 使极 化 强 度 增 大 ， 陶 瓷 片 内

20、 的 正 负 束 缚 电 荷 之 间 距 离 也 增 大 ，也 即 陶 瓷 片 沿 极 化 方 向 产 生 伸 长 形 变 （ 虚 线 ） 。 同 理 ， 如果 外 加 电 场 的 方 向 与 极 化 方 向 相 反 ， 则 陶 瓷 片 沿 极 化 方 向产 生 缩 短 形 变 。 这 种 由 电 效 应 而 转 变 为 机 械 效 应 或 由 电 能转 变 为 机 械 能 的 现 象 称 为 逆 压 电 效 应 。逆 压 电 效 应 示 意 图（ 实 线 代 表 形 变 前 的 情 况 ， 虚 线 代 表 形 变 后 的 情 况 ） 极 化方 向 电场方向 22 可 见 ， 压 电 陶 瓷

21、具 有 压 电 效 应 是 由 于 陶 瓷 内 部 存 在 自发 极 化 。 这 些 自 发 极 化 经 过 极 化 工 序 处 理 而 被 迫 取 向 排 列后 ， 陶 瓷 内 即 存 在 剩 余 极 化 强 度 。 如 果 外 界 作 用 （ 如 压 力或 电 场 的 作 用 ） 能 使 此 极 化 强 度 发 生 变 化 ， 陶 瓷 就 出 现 压电 效 应 。 此 外 ， 还 可 看 出 ， 陶 瓷 内 的 极 化 电 荷 是 束 缚 电 荷 ， 而不 是 自 由 电 荷 ， 这 些 束 缚 电 荷 不 能 自 由 移 动 。 所 以 在 陶 瓷中 产 生 的 放 电 或 充 电 现

22、象 ， 是 通 过 陶 瓷 内 部 极 化 强 度 的 变化 ， 引 起 电 极 面 上 自 由 电 荷 的 释 放 或 补 充 的 结 果 。 23 二 、 压 电 材 料种 类 ： 1） 压 电 晶 体 ， 如 石 英 等 ； 2） 压 电 陶 瓷 ， 如 钛 酸 钡 、锆 钛 酸 铅 等 ； 3） 压 电 半 导 体 ， 如 硫 化 锌 、 碲 化 镉 等 。 对 压 电 材 料 特 性 要 求 * 转 换 性 能 ： 要 求 具 有 较 大 压 电 常 数 。 机 械 性 能 :压 电 元 件 作 为 受 力 元 件 ， 希 望 其 机 械 强 度高 、 刚 度 大 ， 以 获 得 宽

23、 的 线 性 范 围 和 高 的 固 有 振 动 频 率 。 电 性 能 :希 望 具 有 高 电 阻 率 和 大 介 电 常 数 ， 以 减 弱 外部 分 布 电 容 的 影 响 并 获 得 良 好 的 低 频 特 性 。 环 境 适 应 性 强 :温 度 和 湿 度 稳 定 性 要 好 ， 要 求 具 有 较高 的 居 里 点 ， 获 得 较 宽 的 工 作 温 度 范 围 。 时 间 稳 定 性 :要 求 压 电 性 能 不 随 时 间 变 化 。 24 （ 一 ） 石 英 晶 体 的 几 点 特 性 * 石 英 （ SiO2） 是 一 种 具 有 良 好 压 电 特 性 的 压 电 晶

24、 体 。 其介 电 常 数 和 压 电 系 数 的 温 度 稳 定 性 相 当 好 ， 在 常 温 范 围 内 这两 个 参 数 几 乎 不 随 温 度 变 化 ， 如 下 两 图 。 由 图 可 见 ， 在 20 200 范 围 内 ， 温 度 每 升 高 1 ， 压电 系 数 仅 减 少 0.016 。 但 是 当 到 573 时 ， 它 完 全 失 去 了 压 电特 性 ， 这 就 是 它 的 居 里 点 。 1.000.99 0.980.970.960.95 20 40 60 80 100 120140 160180 200dt/d20 斜 率 ： 0.016 /t石 英 的 d11系

25、 数 相 对 于 20 的 d11温 度 变 化特 性 6543210 100 200 300 400 500 600t/相对介电常数 居 里 点石 英 在 高 温 下 相 对 介 电 常 数的 温 度 特 性 25 石 英 晶 体 的 突 出 优 点 是 性 能 非 常 稳 定 ， 机 械 强 度 高 ， 绝缘 性 能 也 相 当 好 。 但 其 价 格 昂 贵 ， 且 压 电 系 数 比 压 电 陶 瓷低 得 多 。 因 此 一 般 用 于 标 准 仪 器 或 要 求 较 高 的 传 感 器 中 。 因 为 石 英 是 一 种 各 向 异 性 晶 体 ， 因 此 ， 按 不 同 方 向 切

26、割 的 晶 片 ， 其 物 理 性 质 （ 如 弹 性 、 压 电 效 应 、 温 度 特 性 等 ）相 差 很 大 。 为 了 在 设 计 石 英 传 感 器 时 ， 根 据 不 同 使 用 要 求正 确 地 选 择 石 英 片 的 切 型 。 石 英 晶 片 的 切 型 符 号 表 示 方 法 *uIRE标 准 规 定 的 切 型 符 号 表 示 法 ；u习 惯 符 号 表 示 法 。 26 IRE标 准 规 定 的 切 型 符 号 包 括 一 组 字 母 （ X、 Y、 Z、 t、l、 b） 和 角 度 。 用 X、 Y、 Z中 任 意 两 个 字 母 的 先 后 排 列 顺 序 ，表

27、示 石 英 晶 片 厚 度 和 长 度 的 原 始 方 向 ； 用 字 母 t（ 厚 度 ） 、 l（ 长 度 ） 、 b（ 宽 度 ） 表 示 旋 转 轴 的 位 置 。 当 角 度 为 正 时 ,表 逆 时 针 旋 转 ； 当 角 度 为 负 时 ,表 顺 时 针 旋 转 。例 如 ： (YXl)35切 型 ， 其 中 第 一 个 字 母 Y表 示 石 英 晶 片 在 原始 位 置 (即 旋 转 前 的 位 置 )时 的 厚 度 Z ZOO YYZ XX 35(a) (b)（ YXl） 35 切 型（ a） 石 英 晶 片 原 始 位 置（ b） 石 英 晶 片 的 切 割 方 位沿 Y轴

28、 方 向 ， 第 二 个 字 母 X表 示 石 英 晶 片 在 原 始 位 置 时的 长 度 沿 X轴 方 向 ， 第 三 个字 母 l和 角 度 35表 示 石 英 晶片 绕 长 度 逆 时 针 旋 转 35，如 图 。 Y 27 又 如 （ XYtl） 5/-50切 型 ， 它 表 示 石 英 晶 片 原 始 位 置 的 厚 度沿 X轴 方 向 ， 长 度 沿 Y轴 方 向 ， 先 绕 厚 度 t逆 时 针 旋 转 5， 再绕 长 度 l顺 时 针 旋 转 50， 如 图 。 习 惯 符 号 表 示 法 是 石 英 晶 体 特 有 的 表 示 法 ， 它 由 两 个 大写 的 英 文 字

29、母 组 成 。 例 如 ， AT、 BT、 CT、 DT、 NT、 MT和 FC等 。 O O 50Z Z Z YY 5ZX Y(a)石 英 晶 片 原 始 位 置 (b)石 英 晶 片 的 切 割 方 位 28 （ 二 ） 压 电 陶 瓷 和 其 他 材 料 * 1、 钛 酸 钡 压 电 陶 瓷 钛 酸 钡 （ BaTiO3） 是 由 碳 酸 钡 （ BaCO3） 和 二 氧 化 钛（ TiO2） 按 1： 1分 子 比 例 在 高 温 下 合 成 的 压 电 陶 瓷 。优 点 ： 高 介 电 常 数 、 大 压 电 系 数 （ 约 石 英 晶 体 的 50倍 ） 。缺 点 ： 居 里 温

30、度 低 （ 120 ） ， 温 度 稳 定 性 和 机 械 强 度 不 如石 英 晶 体 。2、 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 （ PZT） 锆 钛 酸 铅 是 由 PbTiO3和 PbZrO3组 成 的 固 溶 体 Pb（ Zr、Ti） O3。 它 与 钛 酸 钡 相 比 ， 压 电 系 数 更 大 ， 居 里 温 度 在300 以 上 ， 各 项 机 电 参 数 受 温 度 影 响 小 ， 时 间 稳 定 性 好 。此 外 ， 在 锆 钛 酸 中 添 加 一 种 或 两 种 其 它 微 量 元 素 （ 如 铌 、锑 、 锡 、 锰 、 钨 等 ） 还 可 以 获 得 不 同 性 能

31、的 PZT材 料 。 因此 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 是 目 前 压 电 式 传 感 器 中 应 用 最 广 泛的 压 电 材 料 。 29 4、 其 他 ： 压 电 半 导 体 材 料 如 ZnO、 CdS 、 ZnO 、 CdTe， 这 种 力 敏 器 件 具 有 灵 敏 度高 ， 响 应 时 间 短 等 优 点 。 此 外 用 ZnO作 为 表 面 声 波 振 荡 器 的压 电 材 料 ， 可 测 取 力 和 温 度 等 参 数 。3、 其 他 ： 压 电 聚 合 物 PVF2是 目 前 发 现 的 压 电 效 应 较 强 的 聚 合 物 薄 膜 ， 就 其对 称 性 看 ，

32、不 存 在 压 电 效 应 ， 但 它 们 具 有 “ 平 面 锯 齿 ” 结 构 ，存 在 抵 消 不 了 的 偶 极 子 。 经 延 展 和 拉 伸 后 可 以 使 分 子 链 轴 成规 则 排 列 ， 并 在 与 分 子 轴 垂 直 方 向 上 产 生 自 发 极 化 偶 极 子 。当 在 膜 厚 方 向 加 直 流 高 压 电 场 极 化 后 ， 可 成 为 具 有 压 电 性 能的 高 分 子 薄 膜 。优 点 ： 可 挠 性 ， 易 制 成 大 面 积 元 件 。 元 件 耐 冲 击 、 不 易 破 碎 、稳 定 性 好 、 频 带 宽 。 为 提 高 其 压 电 性 能 还 可

33、掺 入 压 电 陶 瓷 粉末 ， 制 成 混 合 复 合 材 料 (PVF2PZT)。 30 三 、 压 电 式 传 感 器 的 测 量 电 路（ 一 ） 等 效 电 路 受 外 力 作 用 的 压 电 元 件 可 看 成 一 个 静 电 发 生 器 ， 如 图(a)， 也 可 视 其 为 两 极 板 上 聚 集 异 性 电 荷 ， 中 间 为 绝 缘 体 的电 容 器 ， 如 图 (b)。 其 电 容 量 为 ： (b)(a) 压 电 传 感 器 的 等 效 电 路 q q电 极压 电 晶 体 Cat StSC ra 0 当 两 极 板 聚 集 异 性 电 荷时 ， 则 两 极 板 呈 现

34、一 定 的电 压 ， 其 大 小 为 ： aa CqU 因 此 ， 压 电 元 件 可 等 效 为 电压 源 Ua和 一 个 电 容 器 Ca的 串联 电 路 ， 如 下 图 (a)； 也 可 等效 为 一 个 电 荷 源 q和 一 个 电容 器 Ca的 并 联 电 路 ， 如 下 图(b)。 31 qCaUa Ua q/ Ca q UaCaCa（ a） 电 压 等 效 电 路 （ b） 电 荷 等 效 电 路压 电 元 件 等 效 原 理 传 感 器 内 部 信 号 电 荷 无 “ 漏 损 ” ， 外 电 路 负 载 无 穷 大时 ， 压 电 传 感 器 受 力 后 产 生 的 电 压 或

35、电 荷 才 能 长 期 保 存 ，否 则 电 路 将 以 某 时 间 常 数 按 指 数 规 律 放 电 。 这 对 于 静 态 标定 以 及 低 频 准 静 态 测 量 极 为 不 利 ， 必 然 带 来 误 差 。 事 实 上 ，传 感 器 内 部 不 可 能 没 有 泄 漏 ， 外 电 路 负 载 也 不 可 能 无 穷 大 ，只 有 外 力 以 较 高 频 率 不 断 地 作 用 ， 传 感 器 的 电 荷 才 能 得 以补 充 ， 因 此 ， 压 电 晶 体 不 适 合 于 静 态 测 量 。 32 若 用 导 线 将 压 电 传 感 器 和 测 量 仪 器 连 接 时 , 则 应

36、考 虑 连 线的 等 效 电 容 , 前 置 放 大 器 的 输 入 电 阻 、 输 入 电 容 。Ca Ra Cc Ri Ciq压 电 传 感 器 的完 整 等 效 电 路 Ca传 感 器 的 固 有 电 容Ci 前 置 放 大 器 输 入 电 容 Cc 连 线 电 容Ra传 感 器 的 漏 电 阻Ri前 置 放 大 器 输 入 电 阻 可 见 ， 压 电 传 感 器 的 Ra与 前 置 放 大 器 的 输 入 电 阻 Ri相 并联 。 为 保 证 传 感 器 和 测 试 系 统 有 一 定 的 低 频 或 准 静 态 响 应 ，要 求 压 电 传 感 器 绝 缘 电 阻 应 保 持 在 1

37、0 13以 上 ， 才 使 内 部 电荷 泄 漏 减 少 到 满 足 一 般 测 试 精 度 的 要 求 。 与 上 相 适 应 ， 测 试 系 统 则 应 有 较 大 的 时 间 常 数 ， 亦 即前 置 放 大 器 要 有 相 当 高 的 输 入 阻 抗 ， 否 则 传 感 器 的 信 号 电荷 将 通 过 输 入 电 路 泄 漏 ， 即 产 生 测 量 误 差 。 33 （ 二 ） 测 量 电 路 压 电 式 传 感 器 中 的 前 置 放 大 器 有 两 个 作 用 ：1） 把 压 电 元 件 的 高 输 出 阻 变 换 成 低 阻 抗 输 出 ；2） 放 大 压 电 元 件 输 出

38、的 弱 信 号 。 前 置 放 大 器 形 式 ：1） 电 压 放 大 器 ： 其 输 出 电 压 与 输 入 电 压 （ 压 电 元 件 的 输 出电 压 ） 成 正 比 ；2） 电 荷 放 大 器 ： 其 输 出 电 压 与 输 入 电 荷 成 正 比 。 A A C aCa Ra Ri CiCc CR Ui USCUSCUa (a) (b)Ua 34 图 （ b） 中 ， 等 效 电 阻 R为 ia ia RR RRR tFF m sin ， Fm作 用 力 的 幅 值压 电 元 件 所 受 作 用 力 aa CqU C=Cc+Ci ， 而等 效 电 容 为 ：若 压 电 元 件 材 料

39、 是 压 电 陶 瓷 ， 其 压 电 系 数 为 d33， 则 在 外 力 作用 下 ， 压 电 元 件 产 生 的 电 压 值 为 a mam CFdCqU 33tUU ma sinUm电 压 幅 值 ， ai CCRj RjFdU 133 由 图 (b)可 得 放 大 器 输 入 端 的 电 压 Ui， 其 复 数 形 式 为 1） 电 压 放 大 器 35 222 331 icamim CCCR RFdU Ui的 幅 值 Uim为 ： ica CCCR arctan2 ica mmim CCC FdRFdU 3320331 输 入 电 压 与 作 用 力 之 间 的 相 位 差 为令 =

40、R(Ca+Cc+Ci)， 为 测 量 回 路 时 间 常 数 ， 并 令 0=1/， 则可 得结 论 ： 若 1， 即 作 用 力 变 化 频 率 与 测 量 回 路 时 间 常 数 的乘 积 远 大 于 1， 前 置 放 大 器 的 输 入 电 压 Uim与 频 率 无 关 。 一 般 ， 3就 可 近 似 认 为 输 入 电 压 与 作 用 力 频 率 无 关 。由 此 可 知 ， 在 测 量 回 路 时 间 常 数 一 定 的 条 件 下 ， 配 置 电 压 放大 器 的 压 电 式 传 感 器 具 有 相 当 好 的 高 频 响 应 特 性 。 36 对 于 变 化 缓 慢 的 被 测

41、 动 态 量 ， 若 测 量 回 路 时 间 常 数 不 够 大 ，则 造 成 传 感 器 灵 敏 度 下 降 。 因 此 ， 要 扩 大 工 作 频 带 的 低 频端 ， 必 须 提 高 测 量 回 路 的 值 。 若 以 增 大 测 量 回 路 的 电 容 来提 高 ， 则 影 响 传 感 器 的 灵 敏 度 。根 据 传 感 器 电 压 灵 敏 度 Ku的 定 义 得 ： 22 331 icamimu CCCR dFUK icau CCC dK 33因 为 R1， 故 上 式 可 以 近 似 为 ：可 见 ： Ku与 回 路 电 容 成 反 比 ， 增 加 回 路 电 容 必 使 Ku下

42、 降 。 因此 需 Ri很 大 的 前 置 放 大 器 ， 且 其 输 入 阻 抗 越 大 ， 测 量 回 路 时间 常 数 就 越 大 ， 传 感 器 的 低 频 响 应 就 越 好 。 改 变 连 接 压 电 探头 与 前 置 放 大 器 的 电 缆 长 度 时 Cc将 改 变 ， 须 重 校 灵 敏 度 值 。 37 2） 电 荷 放 大 器 电 荷 放 大 器 是 一 个 有 深 度 负 反 馈 的 高 增 益 放 大 器 ， 若 放大 器 的 开 环 增 益 A0足 够 大 ， 且 放 大 器 的 输 入 阻 抗 很 高 ， 则 放大 器 输 入 端 几 乎 无 分 流 ， 运 算

43、电 流 仅 流 入 反 馈 回 路 CF与 RF。由 图 可 知 i的 表 达 式 为 ： 电 荷 放 大 器 原 理 电 路 图 A0Ca U USCiRaq CF RF FFSC RCjUUi 1 FF RCjUAU 10 FF RACAjU 111 00 38 由 上 式 得 出 等 效 电 路 如 右图 所 示 。 A0CaRa R C USCUqCF、 RF等 效 到 A0输 入 端 时 ， 电 容 CF增 大 (1 A0)倍 。 电 导 1/RF也 增 大 (1 A0)倍 。 所 以 C=(1 A0)CF； 1/R=(1 A0)/RF，这 就 是 所 谓 “ 密 勒 效 应 ” 的

44、 结 果 。运 放 输 入 电 压输 出 电 压 FaFa CACjRAR qjU 00 1111 FaFaSC CACjRAR AqjUAU 00 00 1111 39 当 A0足 够 大 时 ,传 感 器 本 身 的 电 容 和 电 缆 长 度 不 影 响 电 荷 放 大器 的 输 出 。 输 出 电 压 USC只 决 定 于 输 入 电 荷 q及 反 馈 回 路 的 参数 CF和 RF。 由 于 1 RFCF, 则 FcaFaSC CACCjRAR AqjU 00 0 1111 FFSC CqCAqAU 001若 考 虑 电 缆 电 容 Cc， 则 有可 见 ： A0足 够 大 时 ，

45、输 出 电 压 与 A0无 关 ， 只 取 决 于 输 入 电 荷q和 反 馈 电 容 CF， 改 变 CF的 大 小 可 得 到 所 需 的 电 压 输 出 。 CF一 般 取 值 100104pF。 40 运 算 放 大 器 的 开 环 放 大 倍 数 A0对 精 度 有 影 响 ， 频 率 很 高 时 ， 则及 FcaSC CACC qAU 001 FSC CqU FcaSC SCSC CA CCU UU 01 1001 10100001.0 0 4 A由 此 得 A0 105。 对 于 线 性 集 成 运 放 ， 这 一 要 求 易 达 到 。 例 1： Ca=1000pF,CF=10

46、0pF,Cc=(100pF/m) 100m=105pF,当要 求 1%时 ， 则 有则 可 计 算 产 生 的 误 差 为 ： 41 当 工 作 频 率 很 低 时 ， 电 导 1/Ra+(1+A0)/RF与 电 纳jCa+Cc+(1+A0)CF的 值 相 当 ， 电 导 不 可 忽 略 。 此 时 A0足 够大 ， 则 ：其 幅 值 为 ：当 1/R F = CF时 ，可 见 ， 这 是 截 止 频 率 点 的 输 出 电 压 ， 增 益 下 降 3dB时 对 应 的 下限 截 止 频 率 为 ： FFFFSC CjR qjCAjRA AqjU 1111 00 0 FFSC CRqU 221

47、/ )2/( FSC CqU FFL CRf 2 1USC与 q间 的 相 位 误 差 ： FFCR 1arctan90 42 可 见 ：压 电 式 传 感 器 配 电 荷 放 大 器 时 ,其 低 频 幅 值 误 差 和 截 止 频 率只 决 定 于 反 馈 电 路 的 参 数 RF和 CF,其 中 CF的 大 小 可 由 所 需 电 压输 出 幅 度 决 定 。当 给 定 工 作 频 带 下 限 截 止 频 率 fL时 ,反 馈 电 阻 RF值 可 确 定 。例 如 ， 当 CF=1000pF,fL=0.16Hz时 ,则 要 求 RF 109。 43 四 、 压 电 式 传 感 器 的 应

48、 用（ 1） 压 电 元 件 增 强 信 号 的 连 接 方 式（ 2） 压 电 式 加 速 度 传 感 器（ 3） 压 电 式 压 力 传 感 器（ 4） 压 电 式 流 量 计（ 5） 高 分 子 压 电 薄 膜 的 应 用 44 （ 1） 增 强 信 号 的 连 接 方 式图 (a)-并 联 形 式 ， 片 上 的 负 电 荷 集 中 在 中 间 极 上 ， 其 输 出 电容 C为 单 电 容 C的 两 倍 ， 输 出 电 压 U等 于 单 片 电 压 U， 极 板 上电 荷 量 q为 单 片 电 荷 量 q的 两 倍 ， 即 ：图 (b)-串 联 形 式 ， 正 电 荷 集 中 在 上

49、 极 板 ， 负 电 荷 集 中 在 下极 板 ， 中 间 两 极 板 上 产 生 的 负 电 荷 与 正 电 荷 相 互 抵 消 。 可 知 ，输 出 总 电 荷 q等 于 单 片 电 荷 q， CCUUqq 22 ；输 出 电 压 U为 单 片 电 压 U的 二 倍 ，总 电 容 C为 单 电 容 C的 一 半 ， 即 ：CCUUqq 212 ； + + (a)并 联 (b)串 联叠 层 式 压 电 元 件+ + + l并 联 法 ： 输 出 电 荷 大 ， 时 间 常 数 大 ， 宜 用 于 测 量 缓 变 信 号 ，适 用 于 以 电 荷 作 为 输 出 量 的 场 合 。 l串 联

50、法 ： 输 出 电 压 大 ， 本 身 电 容 小 ， 适 用 于 以 电 压 作 为 输出 信 号 ， 且 测 量 电 路 输 入 阻 抗 很 高 的 场 合 。 45 运动方向 21 34 5纵 向 效 应 型 加 速 度传 感 器 的 截 面 图（ 2） 压 电 式 加 速 度 传 感 器其 结 构 一 般 有 纵 向 效 应 型 、 横 向 效应 型 和 剪 切 效 应 型 三 种 。 纵 向 效 应是 最 常 见 的 ,如 图 。 压 电 陶 瓷 4和 质量 块 2为 环 型 ， 通 过 螺 母 3对 质 量 块预 先 加 载 ， 使 之 压 紧 在 压 电 陶 瓷 上 。测 量 时

51、 将 传 感 器 基 座 5与 被 测 对 象 牢牢 地 紧 固 在 一 起 。 输 出 信 号 由电 极 1引 出 。 46 上 式 表 明 ： 电 荷 量 直 接 反 映 加 速 度 大 小 ， 传 感 器 灵 敏 度 与 压电 材 料 的 压 电 系 数 和 质 量 块 质 量 有 关 。 为 提 高 灵 敏 度 ， 一 般 选 压 电 系 数 大 的 压 电 陶 瓷 片 。 增 加质 量 块 的 质 量 会 影 响 被 测 振 动 ， 同 时 会 降 低 振 动 系 统 的 固 有频 率 ， 一 般 不 采 用 增 加 质 量 的 方 法 ， 而 是 通 过 增 加 压 电 片 数目

52、和 采 用 合 理 的 连 接 方 法 提 高 传 感 器 灵 敏 度 。 传 感 器 质 量 块 相 对 被 测 体 质 量 较 小 ， 当 其 感 受 振 动 时 ， 质 量块 感 受 与 传 感 器 基 座 相 同 的 振 动 ， 并 受 到 与 加 速 度 方 向 相 反的 惯 性 力 F( m a)。 F作 用 在 压 电 陶 瓷 上 产 生 的 电 荷 为 ： q d33F d33ma 47 （ 3） 压 电 式 压 力 传 感 器 根 据 使 用 要 求 不 同 ， 压 电 式 测 压 传 感 器 有 各 种 不 同 的结 构 形 式 ， 但 基 本 原 理 相 同 。 压 电

53、式 测 压 传 感 器 由 引 线 1、 壳 体 2、 基 座 3、 压 电 晶 片4、 受 压 膜 片 5及 导 电 片 6组 成 。 当 膜 片 5受 到 压 力 P作 用 后 在压 电 晶 片 上 产 生 电 荷 。 在 一 个 压 电 片 上 所 产 生 的 电 荷 q为 pSdFdq 1111 F作 用 于 压 电 片 上 的 力 ；d11压 电 系 数 ；p压 强 ， ；S膜 片 的 有 效 面 积 。SFp 1 23456 p压 电 式 测 压 传 感 器 原 理 图 48 测 压 传 感 器 的 输 入 量 为 压 力 P， 如 果 压 电 元 件 只 由 一个 压 电 晶 片

54、 组 成 ， 根 据 灵 敏 度 的 定 义 有 ： Pqkq PUku 0Sdkq 11 00 CqU 011C Sdku 因 ， 所 以 电 压 灵 敏 度 也 可 表 示 为U0压 电 片 输 出 电 压 ；C0压 电 片 等 效 电 容电 荷 灵 敏 度 电 压 灵 敏 度电 荷 灵 敏 度 49 （ 4） 压 电 式 流 量 计 (正 、 逆 压 电 效 应 应 用 )利 用 超 声 波 在 顺 流 和 逆 流 方 向 的 传 播 速 度 进 行 测 量 。测 量 装 置 是 在 管 外 设 置 两 个 相 隔 一 定 距 离 的 收 发 两 用压 电 超 声 换 能 器 ， 每 隔

55、 一 段 时 间 (如 1/100s)， 发 射 和接 收 互 换 一 次 。 在 顺 流 和 逆 流 情 况 下 ， 发 射 和 接 收 的相 位 差 与 流 速 成 正 比 。 据 此 ， 精 确 测 定 流 速 。 流 速 乘管 道 横 截 面 积 等 于 流 量 。 流 量 显 示1789 输 出 信 号换 能 器 换 能 器接 收 接 收发 射 发 射压 电 式 流 量 计此 流 量 计 可 测 量 各 种 液 体 的流 速 ， 中 压 和 低 压 气 体 的 流速 ， 不 受 该 流 体 的 导 电 率 、粘 度 、 密 度 、 腐 蚀 性 以 及 成分 的 影 响 。 其 准 确

56、 度 可 达0.5%， 有 的 可 达 到 0.01%。根 据 发 射 和 接 收 的 相 位 差 随 海 洋 深 度 深度 的 变 化 ， 测 量 声 速 随 深 度 的 分 布 情 况 50 高 分 子 压 电 薄 膜 制 作 的 压 电 喇 叭（ 逆 压 电 效 应 ） 振 动 传 感 器（ 7） 高 分 子 压 电 薄 膜 的 应 用 51 交 通 监 测 将 高 分 子 压 电 电 缆 埋 在 公 路 上 ， 可 获 取 车 型 分 类 信 息（ 包 括 轴 数 、 轴 距 、 轮 距 、 单 双 轮 胎 ） 、 车 速 监 测 、收 费 称 重 、 闯 红 灯 拍 照 、 停 车

57、区 域 监 控 、 交 通 数 据 信息 采 集 （ 道 路 监 控 ） 及 机 场 滑 行 道 等 。 52 例 1. 压 电 元 件 采 用 垂 直 x轴 切 片 的 石 英 晶 体 ， 压 电 常 数， 相 对 介 电 常 数 ， 截 面 积 ， 厚 度 。 当 沿 着 x轴方 向 受 压 力 时 ， 求 该 元 件 两 极 片 间 的 输 出 电 压 。 NCd /1031.2 1211 5.4r 25cmA cmh 5.0NFx 8.9解 ： )( 1026.28.91031.2 111211 CFdq xx )( 98.31051051085.85.4 34120 pFhAC ra

58、 ）（ )( 7.51098.31026.2 1211 VCqU axa ）（xxx dq 11由 可 得 ： 例 2. 已 知 电 压 放 大 器 输 入 回 路 的 总 电 阻 为 ， 总 电 容 为 用 压 电 式 加 速 度 传 感 器 测 量 1Hz的 振 动 信 号 时 ， 其 幅 值 误 差 为 多 大 ？ pFC 100 MR 1解 ： 由 可 得 ： aaaaaai CCRj RCjCQCCRj RCjUU 11 2)(1 CRRQUim CQ 22 )(11)(1 CRCRCQ CRRQCQ %9.991094.31 1028.61)10100102(1 101001021

59、)(11 842126 1262 CRCR 解 ： 输 出 实 际 值 ： %1111 Fca F F FcaF CACC ACCQ CACC AQCQ ）（）（ pFCACACC FaFc 900)1(%11 例 3. 已 知 ， 若 考 虑 的 影 响 ，当 电 荷 放 大 器 的 时 要 求 输 出 信 号 衰 减 不 超 过 1%， 求 使 用 的 电 缆 时 的 最 大 允 许 长 度 为 多 少 ？410A Fia RRR,100pFCa ,10pFCF ,0iC cCmpF/90 FicaO CACCC AQU )1( FO CQU 输 出 理 想 值 ：电 缆 最 大 长 度

60、： mmpFpFmpFCl C 10/90900/90 max NpCSq /30pFCa 1000NF 100例 4. 压 电 式 传 感 器 固 有 电 容 ， 电 荷 灵 敏 度 为 ， 电 荷放 大 器 的 反 馈 电 容 为 ， 求 ： 1） 传 感 器 的 电 压 灵 敏 度 ； 2） 测 量 力 时 ， 电 荷 放 大 器 的 输 出 电 压 。pFCF 3000解 ： ）（ VCFSCQU FqFO 1103000 1001030 1212 由 可 得 ：aa CQU FSQ qaqaa CFSCQU )/( 003.0100030 NVCSdFdUS aqu 因 压 电 式

61、传 感 器 的 输 出 电 阻 很 大 、 电 荷 量 很 小； 普 通 放 大 器 输 入 电 阻 较 小 ， 不 能 直 接 放 大 ；前 置 放 大 器 具 有 输 入 阻 抗 高 ， 输 出 阻 抗 小 。 电 荷 放 大 器 具 有 输 入 阻 抗 高 ， 输 出 电 压 与 压 电式 传 感 器 电 荷 成 正 比 、 与 反 馈 电 容 成 反 比 ； 与电 缆 分 布 电 容 无 关 ； 电 压 放 大 器 具 有 电 路 简 单， 成 本 低 ， 压 电 式 传 感 器 须 与 电 缆 配 套 使 用 。简 述 压 电 式 传 感 器 需 要 配 置 前 置 放 大 器 的 原 因 ； 常 用 的 前 置 放大 器 有 哪 两 种 ?各 有 何 特 点 ?