第七章壓電式傳感器

1、第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器是力敏感元件，將被測量力、壓力、加速度等轉換成壓電器是力敏感元件，將被測量力、壓力、加速度等轉換成壓電器件的表面電荷量，以實現(xiàn)非電量的電測目的。件的表面電荷量，以實現(xiàn)非電量的電測目的。壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些是以某些晶體晶體受力后，在其受力后，在其表面表面產生產生電荷電荷的的壓電效應壓電效應為轉換為轉換原理的傳感器。（原理的傳感器。（敏感元件敏感元件：壓電材料：壓電材料/晶體）晶體）它可以測量最終能變換為它可以測量最終能變換為力力的各種物理量，如力、壓力、加速度等，實現(xiàn)的各種物理量，如力、壓力、加速度等，實現(xiàn)非電量的測量，是

2、一種典型的非電量的測量，是一種典型的有源傳感器（發(fā)電型有源傳感器（發(fā)電型/自發(fā)電式自發(fā)電式/機電轉換式）機電轉換式）；壓電式傳感器具有壓電式傳感器具有體積小體積小，重量輕重量輕，工作頻帶寬工作頻帶寬、靈敏度高靈敏度高、工作可靠、工作可靠、測量范圍廣測量范圍廣等特點，因此在各種等特點，因此在各種動態(tài)力、動態(tài)力、 機械沖擊與振動機械沖擊與振動的測量，以及聲學、的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電效應（石英和壓電陶瓷）壓電效應（石英和壓電陶瓷）壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路信號調

3、解電路信號調解電路應用應用7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料某些晶體，在某些晶體，在一定方向一定方向受到受到外力外力作用而產生形變時，會引起它作用而產生形變時，會引起它內部內部的的正負正負電荷電荷中心相對轉移而產生中心相對轉移而產生極化極化，導致在晶體的，導致在晶體的兩個相對表面產生符號相反兩個相對表面產生符號相反的的電荷；電荷；當當外力去掉外力去掉后，又重新后，又重新恢復不帶電恢復不帶電狀態(tài)；狀態(tài)；當作用當作用力方向改變力方向改變，電荷的，電荷的極性極性也隨之也隨之改變改變，這種現(xiàn)象為，這種現(xiàn)象為壓電效應壓電效應。具有壓電效應的物質很多，如石英晶體、壓電半導體等。具有壓電效應的物質

4、很多，如石英晶體、壓電半導體等。壓電效應分：壓電效應分：正壓電效應正壓電效應和和逆壓電效應逆壓電效應。l電勢型傳感器電勢型傳感器 以壓電效應為基礎以壓電效應為基礎l壓電效應可逆壓電效應可逆 “雙向傳感器雙向傳感器”加力加力 變形變形 產生電荷產生電荷1. 正壓電效應正壓電效應7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料某些晶體（電介質）受到某些晶體（電介質）受到一定方向上一定方向上的機械的機械外力外力作用時，其內部產生作用時，其內部產生極化極化現(xiàn)象（類似于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的現(xiàn)象（類似于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的兩個表面上兩個表面上產生產生符號相反的電荷符號相反的電荷（或產生內部電場）。

5、當外（或產生內部電場）。當外力去掉后力去掉后，又重新，又重新恢復恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。機械能機械能電能電能機械能機械能電能電能在壓電材料的在壓電材料的兩個電極面兩個電極面上，如果加以上，如果加以交流電壓交流電壓，那么壓電片能產生機械，那么壓電片能產生機械振動，即壓電片在電極方向上有振動，即壓電片在電極方向上有伸縮伸縮的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效電致伸縮效應應”，也叫做，也叫做“逆壓電效應逆壓電效應”。（。（施加電場施加電場電介質產生變形電介質產生變形應力應力）常見的壓電材料

6、由石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。常見的壓電材料由石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電式傳感器又叫雙向傳感器壓電式傳感器又叫雙向傳感器2. 逆壓電效應逆壓電效應7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料正壓電效應正壓電效應機機械械能能電電能能壓電元件壓電元件逆壓電效應逆壓電效應自然界許多晶體具有自然界許多晶體具有壓電效應壓電效應，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷壓電晶體、壓電陶瓷。 7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體石英晶

7、體石英晶體石英晶體云母晶體云母晶體食鹽晶體食鹽晶體石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 （晶振）（晶振）石英晶體石英晶體石英晶體有三個晶軸：石英晶體有三個晶軸： X軸軸電軸電軸或或1軸軸，通過六面體相對的兩個，通過六面體相對的兩個棱線，并垂直于光軸；棱線，并垂直于光軸； Y軸軸機械軸機械軸或或2軸軸，垂直于兩個相對的晶，垂直于兩個相對的晶柱棱面；柱棱面； Z軸軸光軸光軸或或3軸軸，與晶體的縱軸線方向一，與晶體的縱軸線方向一致致（與（與x，y軸垂直）軸垂直）7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應縱向壓電效應縱向壓電效應沿電軸（沿電軸（X軸）方向的力作用下產

8、生電荷；軸）方向的力作用下產生電荷；橫向壓電效應橫向壓電效應沿機械軸（沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產生電荷；軸）方向的力作用下產生電荷；在在光軸光軸（Z軸）方向施加力時，不產生壓電效應。軸）方向施加力時，不產生壓電效應。7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應沿沿X（電軸）（電軸）對晶片施加力對晶片施加力FX時，在時，在垂直于垂直于X軸軸的表面產生電荷的表面產生電荷 縱向壓電效應縱向壓電效應當當FX0時（時（拉力拉力），在），在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)負負電；電；當當FX0時（時（拉力拉力），與），與FX0時的情況類似，在時的情況類似，在x

9、軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)正正電；電；當當FY0時的情況類似，在時的情況類似，在x軸的正方向出現(xiàn)軸的正方向出現(xiàn)負負電；電；7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應沿沿Z（光軸）（光軸）對晶片施加力對晶片施加力FZ時，無壓電效應。時，無壓電效應。 由于正負離子位置保持不變，由于正負離子位置保持不變， ，所以不產生任何方向上的壓電效，所以不產生任何方向上的壓電效應。應。7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應晶片電荷極性與受力方向關系晶片電荷極性與受力方向關系（a）（b）（c）（d）圖（圖（a）：在）：在

10、X軸方向受壓力軸方向受壓力圖（圖（b）：在）：在X軸方向受拉力軸方向受拉力圖（圖（c）：在）：在Y軸方向受壓力軸方向受壓力圖（圖（d）：在）：在Y軸方向受拉力軸方向受拉力縱向壓電效應縱向壓電效應橫向壓電效應橫向壓電效應7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應電荷大小分析電荷大小分析（1）在）在X軸方向上，施加外力軸方向上，施加外力FX時，時，X軸表面產生的電荷量軸表面產生的電荷量壓電系數，石英晶體壓電系數，石英晶體 =2.310-12C/N分析：分析：作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象，產生一定的極化強度。作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象，產

11、生一定的極化強度。其極化強度：其極化強度：與應力與應力 大小有關大小有關則：則：l、b石英晶片的長度和寬度石英晶片的長度和寬度 極化強度在數值上等于晶面上的電荷密度極化強度在數值上等于晶面上的電荷密度 而極化強度而極化強度 所以，所以， 相應的逆壓電效應，在相應的逆壓電效應，在X軸方向上施加外電壓，則晶體產生的形變?yōu)椋狠S方向上施加外電壓，則晶體產生的形變?yōu)椋合鄬兿鄬僗軸方向上的電場強度軸方向上的電場強度（2）同理，在）同理，在Y軸方向上，施加外力軸方向上，施加外力FY時，時，X軸表面產生的電荷量軸表面產生的電荷量分析：分析：7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓

12、電效應石英晶體的壓電效應電荷大小分析電荷大小分析而電荷密度而電荷密度相應的逆壓電效應產生的形變相應的逆壓電效應產生的形變在在X軸方向上，加外電場軸方向上，加外電場UX相對應變相對應變由上述可知：由上述可知： 無論是正或逆壓電效應，其作用力（或無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變應變）與電荷（或）與電荷（或電場強度電場強度）之間呈）之間呈線線性性關系；關系； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。7.1 壓電效應及壓電材料壓電效

13、應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應電荷大小分析電荷大小分析（1）縱向壓電效應產生的電荷：）縱向壓電效應產生的電荷： X X軸施軸施力力，垂直于，垂直于X X軸平面上的軸平面上的電荷電荷； 壓電系數。壓電系數。X X軸施加力，垂直于軸施加力，垂直于X X軸平軸平面上產生電荷面上產生電荷； 沿沿X X方向施加方向施加力力；當晶片受當晶片受X向的壓力向的壓力時，時， 與作用力與作用力 成成正比正比，與晶片的幾何尺寸無關；，與晶片的幾何尺寸無關；若若 改為改為拉力拉力時，在垂直于時，在垂直于X軸的平面上出現(xiàn)軸的平面上出現(xiàn)等量電荷等量電荷，但，但極性相反極性相反。7.1 壓電效應及壓

14、電材料壓電效應及壓電材料3. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應電荷大小分析電荷大小分析（2）橫向壓電效應產生的電荷：）橫向壓電效應產生的電荷：當晶片受當晶片受Y向的壓力向的壓力時，時， 與作用力與作用力 成成正比正比，且且與晶片的與晶片的幾何尺寸幾何尺寸有關；有關；XYqYF Y Y軸施軸施力力，垂直于，垂直于X X軸平面上的軸平面上的電荷電荷； 壓電系數。壓電系數。Y Y軸施加力，垂直于軸施加力，垂直于X X軸軸平面上產生電荷平面上產生電荷； 沿沿Y Y方向施加方向施加力力；晶片電荷極性與受力方向關系晶片電荷極性與受力方向關系壓壓壓壓拉拉拉拉7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料3

15、. 石英晶體石英晶體一種天然晶體，壓電系數一種天然晶體，壓電系數 ；莫氏硬度為莫氏硬度為7，熔點為，熔點為1750，膨脹系數僅為鋼的，膨脹系數僅為鋼的1/30。優(yōu)點：優(yōu)點： 轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好，固有頻率高、動態(tài)特轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好，固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達性好、工作溫度高達550（壓電系數不隨溫度而改變）、工作濕度高達（壓電系數不隨溫度而改變）、工作濕度高達100%、穩(wěn)定性好。、穩(wěn)定性好。7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料4. 壓電陶瓷材料的壓電效應分析壓電陶瓷材料的壓電效應分析屬于鐵電體一類物質，是人工制造的多晶體材料。屬

16、于鐵電體一類物質，是人工制造的多晶體材料。具有類似鐵磁體材料磁疇結構的電疇結構，即電疇特性。具有類似鐵磁體材料磁疇結構的電疇結構，即電疇特性。（1）電疇特性）電疇特性指材料分子，自發(fā)形成指材料分子，自發(fā)形成分子團分子團。材料內部有許多自發(fā)極化的材料內部有許多自發(fā)極化的電疇電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。，它有一定的極化方向，從而存在電場。但在無外電場作用時，分子團（電疇）在晶體中雜亂無規(guī)則排列，它們各自的極但在無外電場作用時，分子團（電疇）在晶體中雜亂無規(guī)則排列，它們各自的極化效應被相互抵消，所以壓電陶瓷內極化強度為零，晶體呈化效應被相互抵消，所以壓電陶瓷內極化強度為零，晶體呈中性中性

17、。（。（不具有壓電效不具有壓電效應應）（2）極化過程）極化過程極化處理極化處理在陶瓷上施加在陶瓷上施加外電場，外電場，使電疇（分子團）趨于按外電場方向規(guī)則排使電疇（分子團）趨于按外電場方向規(guī)則排列，從而使材料得到極化（如圖列，從而使材料得到極化（如圖b）。）。外電場去除后，其內部電疇基本保持不變，留下了很強的外電場去除后，其內部電疇基本保持不變，留下了很強的剩余極化強度剩余極化強度，剩余極，剩余極化強度如圖化強度如圖c。壓電陶瓷經過極化處理后，具有一定的壓電陶瓷經過極化處理后，具有一定的壓電效應壓電效應。（3）壓電效應分析）壓電效應分析陶瓷片內束縛電荷與電極上陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由

18、電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖極化方向極化方向- - - - - - - 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極- - - - - - - 剩余極化強度剩余極化強度會在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電會在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上上吸附吸附了一層來自外界的了一層來自外界的自由電荷自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號符號相反而數量相等相反而數量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內，它屏蔽和抵消了陶瓷片內極化強度對外界的作用。極化強度對外界的作

19、用。在未受外力作用下在未受外力作用下（3）壓電效應分析）壓電效應分析在外加與極化方向平行的壓力時在外加與極化方向平行的壓力時如果在陶瓷片上加一個如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產生，陶瓷片將產生壓縮形變壓縮形變。片內的正、負束縛電荷之間的片內的正、負束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強度也變小極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的因此，原來吸附在電極上的自由電荷自由電荷，有一部，有一部分被分被釋放釋放，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。當壓力當壓力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢復原狀恢復原狀，片內的正、，片內的正、負電荷間的距離變大，極化強度也變大，因

20、此電負電荷間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 正壓電效應正壓電效應 F- - - - - - - - - - - - - - 極化方向極化方向正壓電效應示意圖正壓電效應示意圖機械能機械能電能電能施加壓力，陶瓷片施加壓力，陶瓷片壓縮形壓縮形變變。正、負電荷間的正、負電荷間的距離變小距離變小，極化強度也變小極化強度也變小。釋放釋放部分部分自由電荷自由電荷放電放電壓力壓力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢復恢復原狀原狀，極化強度也變大，極化強度也變大，電極上又吸附部分自由電電極上又吸附部分自由電荷荷充電充電（3）壓電效應分析）壓

21、電效應分析外加與極化方向平行的壓力時外加與極化方向平行的壓力時機械能機械能電能電能（3）壓電效應分析）壓電效應分析 外加與極化方向相同外加與極化方向相同/相反的電場相反的電場如果在陶瓷片上加一個與如果在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場極化方向相同的電場，電場的作用使極，電場的作用使極化強度化強度增大增大。這時，陶瓷片內的正、負束縛電荷之間的。這時，陶瓷片內的正、負束縛電荷之間的距離也增大距離也增大，即陶瓷片沿，即陶瓷片沿極化方向產生極化方向產生伸長伸長形變。形變。同理，如果外加電場的方向與極同理，如果外加電場的方向與極化方向化方向相反相反，則陶瓷片沿極化方向，則陶瓷片沿極化方向產生產生收縮收

22、縮形變。形變。 逆壓電效應逆壓電效應 逆壓電效應示意圖逆壓電效應示意圖電場方向電場方向極化方向極化方向- - - - - - - - - - - - - - 電能電能機械能機械能若所加電場與若所加電場與極化極化方向相同方向相同，則陶瓷片，則陶瓷片沿極化方向產生沿極化方向產生伸長伸長形變。形變。若所加電場與若所加電場與極化方極化方向相反向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極化方向產生化方向產生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應逆壓電效應 （3）壓電效應分析）壓電效應分析 外加與極化方向相同外加與極化方向相同/相反的電場相反的電場電能電能機械能機械能7.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料4. 壓電

23、陶瓷材料的壓電效應分析壓電陶瓷材料的壓電效應分析常見的壓電陶瓷常見的壓電陶瓷（1）鈦酸鋇（）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英。具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。材料。（3）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（）鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（P

24、MN） 具有較高的壓電系數，在壓力大至具有較高的壓電系數，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。力傳感器。7.1壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料5. 壓電元件的常用結構形式壓電元件的常用結構形式并聯(lián)方法并聯(lián)方法：兩片壓電晶片的：兩片壓電晶片的負電荷負電荷集中在集中在中間電極上中間電極上，正電荷集中在兩側的電，正電荷集中在兩側的電極上，傳感器的極上，傳感器的電容量大電容量大、輸出電荷量大輸出電荷量大、時間常數也大時間常數也大，故這種傳感器適用，故這種傳感器適用于于測量緩變信號及電荷量輸出信號測量緩變信號及電荷量輸出信號。( (a a)

25、)并聯(lián)并聯(lián)+ + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - +-U串聯(lián)方法：串聯(lián)方法：正電荷正電荷集中于上集中于上極板極板，負電荷負電荷集中于集中于下極板下極板，傳感器本身的，傳感器本身的電容量電容量小、響應快、輸出電壓大小、響應快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量，故這種傳感器適用于測量以電壓作輸出的信號以電壓作輸出的信號和頻和頻率較高的信號。率較高的信號。 + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - +-U7

26、.1壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料5. 壓電元件的常用結構形式壓電元件的常用結構形式7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（1）等效原理）等效原理壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產生壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產生正負極性的電荷，因此可以看出一個靜電發(fā)正負極性的電荷，因此可以看出一個靜電發(fā)生器，其類似一個以壓電材料為電介質的電生器，其類似一個以壓電材料為電介質的電容器容器Ca。當兩極板聚集異性電荷時，極板之間的電壓當兩極板聚集異性電荷時，極板之間的電壓大小為：大小為：壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（2）等效電路）

27、等效電路（a）電荷等效電路）電荷等效電路（b）電壓等效電路）電壓等效電路（a）等效電荷源）等效電荷源q（b）等效電壓源）等效電壓源Ua特點：壓電晶體不適合靜態(tài)測量特點：壓電晶體不適合靜態(tài)測量傳感器內部信號電荷無傳感器內部信號電荷無“漏損漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產生的電壓或電荷才能后產生的電壓或電荷才能長期保存長期保存，否則電路將以某時間常數按指數規(guī)律，否則電路將以某時間常數按指數規(guī)律放放電電。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差誤差。事實上，傳感器內部不可能沒有泄露，外電

28、路負載也不可能無窮大，只有事實上，傳感器內部不可能沒有泄露，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以外力以較高頻率較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充。不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充。因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電表面漏電而很快泄漏、消失。而很快泄漏、消失。7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（3）實際應用中，壓電傳感器的完整

29、等效電路）實際應用中，壓電傳感器的完整等效電路完整電荷源等效電路完整電荷源等效電路完整電壓源等效電路完整電壓源等效電路Ca：傳感器的固有電容：傳感器的固有電容Ci：前置放大器輸入電容：前置放大器輸入電容Cc：連線電容：連線電容Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻Ri：前置放大器輸入電阻：前置放大器輸入電阻由于壓電式傳感器的由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱輸出電信號很微弱，不能直接顯示和記錄；，不能直接顯示和記錄；通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經過中，經過阻抗交換阻抗交換以后，以后，方可用一般的方可用一般的放大檢波電路放大檢

30、波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中；再將信號輸入到指示儀表或記錄器中；測量電路的測量電路的關鍵關鍵在于在于高阻抗輸入的前置放大器高阻抗輸入的前置放大器；壓電式傳感器要求測量電路的壓電式傳感器要求測量電路的輸入阻抗很高輸入阻抗很高，防止電荷泄露，而增大測量誤差；，防止電荷泄露，而增大測量誤差；前置放大器前置放大器兩個作用：把壓電式傳感器的高兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗輸出阻抗變換成低阻抗輸出變換成低阻抗輸出 放大放大壓電式傳感器壓電式傳感器輸出的微弱信號輸出的微弱信號7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（4）測量電路）測量電路7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電

31、路（4）測量電路）測量電路前置放大器形式：前置放大器形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。a、電壓放大器、電壓放大器7.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路（4）測量電路）測量電路圖中，等效電阻圖中，等效電阻R為為等效電容為等效電容為外力作用時外力作用時力的幅值力的幅值根據壓電效應：根據壓電效應：則：則：放大器輸入端的電壓放大器輸入端的電壓Ui，其復數形式為，其復數形式為當當 ，上式簡化為：，上式簡化為：其幅值：其幅值：

32、結論：結論：放大器的輸入放大器的輸入Uim與與F的頻率無關，因此具有較好的高頻響應特性；的頻率無關，因此具有較好的高頻響應特性；改變壓電傳感器的引線電纜長度，其電纜電容的變化將引起放大器輸入信改變壓電傳感器的引線電纜長度，其電纜電容的變化將引起放大器輸入信號號Uim的變化。因此在測量中通常電纜長度固定（的變化。因此在測量中通常電纜長度固定（Cc=常數）。常數）。電壓靈敏度，電壓靈敏度，即，靈敏度與電路電容大小成反比關系。所以一般要求放大器的內阻即，靈敏度與電路電容大小成反比關系。所以一般要求放大器的內阻Ri增大增大（電容（電容C降低）。降低）。Ca：傳感器的固有電容：傳感器的固有電容Ci：前置

33、放大器輸入電容：前置放大器輸入電容Cc：連線電容：連線電容Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻Ri：前置放大器輸入電阻：前置放大器輸入電阻0raSSCtt sinmQd Fd Ft()1aR CC11iaicaUd Fd FCCCCCmimicad FUCCCimmicaUdKFCCC1211XYYYllqdFdFtt 1212YXYXYFPddbt11XXXqFdlblb1111XXUtdd Ett1211dd XYXYqPlb1111XXUldd Elt 12112.31 10/dC N6.2 壓電材料壓電材料 6.2.1 石英晶體石英晶體根據石英晶體的對稱條件根據石英晶體的對稱條件 ，有

34、，有XXXYdd XYXXYaqdFb 壓壓壓壓拉拉拉拉XYXXYaqdFb 壓壓壓壓拉拉拉拉6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料多晶體壓電材料；材料內部的晶粒有許多材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存，它有一定的極化方向，從而存在電場；在電場；（電疇電疇具有自發(fā)極化的晶體中存在一些具有自發(fā)極化的晶體中存在一些自發(fā)極化取向一致自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域的微小區(qū)域）在在無外電場無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相

35、相互抵消互抵消，壓電陶瓷內，壓電陶瓷內極化強度為零極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有不具有壓電效應壓電效應。電極化電極化當給電介質施加一個當給電介質施加一個電場電場時，由于電介質內部正負電荷的相對時，由于電介質內部正負電荷的相對位移，會產生位移，會產生等量異號的電荷等量異號的電荷6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷極化處理極化處理在陶瓷上施加在陶瓷上施加強外電場強外電場，使電疇，使電疇趨于按外電場方向規(guī)則排趨于按外電場方向規(guī)則排列列，使材料得到極化，此時壓電陶瓷就，使材料得到極化，此時壓電陶瓷就具有壓電效應具有壓電效應。在極化電場去除后

36、，在極化電場去除后，電疇基本保持不變電疇基本保持不變，留下了很強的剩余極化。，留下了很強的剩余極化。 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷陶瓷片內束縛電荷與電極上陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖吸附的自由電荷示意圖極化方向極化方向- - - - - - - 自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極- - - - - - - 陶瓷片內的陶瓷片內的極化強度極化強度總是以總是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)端出現(xiàn)正束縛電荷正束縛電荷，另一端出現(xiàn)，另一端出現(xiàn)負束縛電荷負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的由于束縛

37、電荷的作用，在陶瓷片的電極面上電極面上吸附吸附了一層來自外界的了一層來自外界的自由自由電荷電荷。這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷荷符號相反而數量相等符號相反而數量相等，它屏蔽和抵，它屏蔽和抵消了陶瓷片內極化強度對外界的作用。消了陶瓷片內極化強度對外界的作用。6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷如果在陶瓷片上加一個如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產生，陶瓷片將產生壓縮形壓縮形變變。片內的正、負束縛電荷之間的片內的正、負束縛電荷之間的距離變小距離變小，極化強度也變小極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的因此，

38、原來吸附在電極上的自由電荷自由電荷，有，有一部分被一部分被釋放釋放，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。當壓力當壓力撤消撤消后，陶瓷片后，陶瓷片恢復原狀恢復原狀，極化強，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 正壓電效應正壓電效應 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷施加壓力，陶瓷片施加壓力，陶瓷片壓縮形壓縮形變變。正、負電荷間的正、負電荷間的距離變小距離變小，極化強度也變小極化強度也變小。釋放釋放部分部分自由電荷自由電荷放電放電壓力壓力撤消撤消，陶瓷片，陶瓷片恢復恢復原狀原狀，極化強度也變大，極化強度

39、也變大，電極上又吸附部分自由電電極上又吸附部分自由電荷荷充電充電正壓電效應正壓電效應6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷如果在陶瓷片上加一個與如果在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場極化方向相同的電場，電場的作用使極，電場的作用使極化強度化強度增大增大。陶瓷片內的正、負束縛電荷之間的。陶瓷片內的正、負束縛電荷之間的距離也增大距離也增大，即陶瓷片沿極化方，即陶瓷片沿極化方向產生向產生伸長伸長形變。形變。同理，如果外加電場的方向與極同理，如果外加電場的方向與極化方向化方向相反相反，則陶瓷片沿極化方向，則陶瓷片沿極化方向產生產生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應逆壓電效應 6.2 壓

40、電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷若所加電場與若所加電場與極化極化方向相同方向相同，則陶瓷片，則陶瓷片沿極化方向產生沿極化方向產生伸長伸長形變。形變。若所加電場與若所加電場與極化方極化方向相反向相反，則陶瓷片沿極，則陶瓷片沿極化方向產生化方向產生收縮收縮形變。形變。 逆壓電效應逆壓電效應 6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷電場與極化方向相同電場與極化方向相同電場與極化方向相反電場與極化方向相反 壓電陶瓷之所以具有壓電效應，是由于陶瓷內部存在壓電陶瓷之所以具有壓電效應，是由于陶瓷內部存在自發(fā)極化自發(fā)極化，這些，這些自發(fā)極化經過自發(fā)極化經過極化處理極化處理后，被迫按一

41、定方向排列，且陶瓷內存在后，被迫按一定方向排列，且陶瓷內存在剩余極化剩余極化強度強度。若外界的作用（若外界的作用（如壓力或電場如壓力或電場）能使此）能使此極化強度極化強度發(fā)生改變，陶瓷就出現(xiàn)發(fā)生改變，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應壓電效應。6.2 壓電材料壓電材料 6.2.2 壓電陶瓷壓電陶瓷6.3 壓電材料及壓電元件的結構壓電材料及壓電元件的結構 6.3.2 壓電元件的常用結構形式壓電元件的常用結構形式6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路類似于類似于一個一個靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器或或一個以壓電材料為電介質的一個以壓電材料為電介質的電容器

42、電容器Ca當兩極板有當兩極板有異性電荷異性電荷q時，極板間的電壓時，極板間的電壓6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 （1）電荷等效電路）電荷等效電路視為電荷輸出視為電荷輸出：等效為：等效為電荷源電荷源Q和和電容電容Ca并聯(lián)，開路狀態(tài)并聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電荷輸出端電荷為為把壓電式傳感器看成一個電荷源與電容并聯(lián)的把壓電式傳感器看成一個電荷源與電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器 6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 （1）電壓等效電路）電壓等效電路視為電壓輸出：視

43、為電壓輸出：等效為等效為電壓源電壓源U和和電容電容Ca串串聯(lián)，開路狀態(tài)聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電壓輸出端電壓為為6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路實際使用時，壓電傳感器通過實際使用時，壓電傳感器通過導線導線與測量儀器相連接；與測量儀器相連接；壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路電壓等效電路和和電荷電荷等效電路等效電路。這兩種等效電路是完全等效的。這兩種等效電路是完全等效的。6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的

44、測量電路由于壓電式傳感器的由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱輸出電信號很微弱，不能直接顯示和記錄；，不能直接顯示和記錄；通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器中，經過中，經過阻抗交換阻抗交換以后，以后，方可用一般的方可用一般的放大檢波電路放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中；再將信號輸入到指示儀表或記錄器中；測量電路的測量電路的關鍵關鍵在于在于高阻抗輸入的前置放大器高阻抗輸入的前置放大器；壓電式傳感器要求測量電路的壓電式傳感器要求測量電路的輸入阻抗很高輸入阻抗很高，防止電荷泄露，而增大測量誤差；，防止電荷泄露，而增大測量誤差；前

45、置放大器前置放大器兩個作用：把壓電式傳感器的高兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗輸出阻抗變換成低阻抗輸出變換成低阻抗輸出 放大放大壓電式傳感器壓電式傳感器輸出的微弱信號輸出的微弱信號6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）放大器電路放大器電路等效電路等效電路電壓放大器的輸入端電壓放大器的輸入端，電容，電容C=Cc+Ci，電阻，電阻R=Ra/Ri，輸出端輸出端Ua=q/Ca，若壓電傳感器受力若壓電傳感器受力 ，則壓電元件上的電壓為，則壓電元件上的電壓為 UiUm-壓電元件輸出

46、電壓幅值；壓電元件輸出電壓幅值；d壓電系數壓電系數6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）放大器輸入端放大器輸入端形成的電壓為形成的電壓為放大器輸入放大器輸入電壓的幅值為電壓的幅值為理想情況下，輸入電壓幅值為理想情況下，輸入電壓幅值為可以看出，前置放大器輸入電壓可以看出，前置放大器輸入電壓Uin大小與大小與被測頻率被測頻率無關；無關；若若電纜長度電纜長度改變，改變，CC改變，改變，Uin隨之改變，所以壓電傳感器與前置放大器間的隨之改變，所以壓電傳感器與前置放大器間的連接電纜連

47、接電纜不能隨意更換，否則引入測量誤差不能隨意更換，否則引入測量誤差6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）放大器輸入放大器輸入電壓的幅值為電壓的幅值為一般在一般在t3時，就可以認為時，就可以認為Uin與與無關，無關，t測量測量電路時間常數電路時間常數，即，即當作用于壓電元件的力為當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力靜態(tài)力（=0）時，前置放大器的）時，前置放大器的輸入電壓為輸入電壓為0，因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身而漏掉，所以壓電傳感器不能用因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳

48、感器本身而漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量于靜態(tài)力的測量6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 1.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于電荷將由于表面漏電表面漏電而很快而很快泄漏、消失。泄漏、消失。6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 2.電荷放大器電荷放大器由一個由一個反饋電容反饋電容Cf 和和高增益運算放大器高增益運算放大器構成；構成；由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，所以由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，所以 Uo放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。 +CaQCcCiRiCfRfU0 傳感器傳感器 電纜電纜放大器放大器RaA6.4 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.4.2 壓電式傳感器的測量電路