第4章壓力及真空度檢測儀表-壓電式

1、kunming university of science and technology department of automation engineering, informational facultyspring 2010檢測及過程控制技術(shù)檢測及過程控制技術(shù)measurement &process control technology昆明理工大學(xué)信自學(xué)院昆明理工大學(xué)信自學(xué)院自動化自動化系系昆明理工大學(xué)信自學(xué)院昆明理工大學(xué)信自學(xué)院檢測及過程控制系統(tǒng)檢測及過程控制系統(tǒng)measurement &process control technology第四章第四章 壓力與真空度檢測

2、壓力與真空度檢測-壓電式傳感器（壓電式傳感器（4.3）4.3節(jié)壓電式傳感器節(jié)壓電式傳感器v4.1、概述v4.2、壓電效應(yīng)分析、壓電效應(yīng)分析v4.3、測量電路、測量電路4壓電式傳感器壓電式傳感器第4.1節(jié)概述v4.1.1、作用、作用v4.1.2、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng)v4.1.3、壓電式傳感器的特點、壓電式傳感器的特點第第4.1節(jié)節(jié) 概述概述4.1.1、作用壓電傳感器是力敏感元件，將被測壓力、壓電傳感器是力敏感元件，將被測壓力、力、加速度等轉(zhuǎn)換成壓電器件的表面電荷量，力、加速度等轉(zhuǎn)換成壓電器件的表面電荷量，以實現(xiàn)非電量的電測目的。它是一種典型的以實現(xiàn)非電量的電測目的。它是一種典型的有源傳感器（或稱發(fā)

3、電型傳感器）它是基于有源傳感器（或稱發(fā)電型傳感器）它是基于某些材料的壓電效應(yīng)。例如：單晶體某些材料的壓電效應(yīng)。例如：單晶體 ，多晶體的壓電陶瓷材料多晶體的壓電陶瓷材料 等等4.1.2、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種情形。兩種情形。2osi32otabi第第4.1節(jié)概述節(jié)概述4.1.2、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種情形。兩種情形。1. 正壓電效應(yīng)即晶體（電介質(zhì)）受到一定方向上的機(jī)械外即晶體（電介質(zhì)）受到一定方向上的機(jī)械外力時，其內(nèi)部產(chǎn)生力時，其內(nèi)部產(chǎn)生極化極化現(xiàn)象（類似于鐵磁體現(xiàn)象（類似

4、于鐵磁體的磁化現(xiàn)象），晶體的兩個表面上產(chǎn)生符號的磁化現(xiàn)象），晶體的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷（或產(chǎn)生內(nèi)部電場）。當(dāng)力消失相反的電荷（或產(chǎn)生內(nèi)部電場）。當(dāng)力消失后，有重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)。后，有重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)。第第4.1節(jié)概述節(jié)概述4.1.2、壓電效應(yīng)2. 逆壓電效應(yīng)在晶體（電介質(zhì)）的極化方向上施加外部在晶體（電介質(zhì)）的極化方向上施加外部電場，晶體（電介質(zhì)）產(chǎn)生伸縮機(jī)械形變電場，晶體（電介質(zhì)）產(chǎn)生伸縮機(jī)械形變（或機(jī)械應(yīng)力）。當(dāng)外電場消失則晶體（電（或機(jī)械應(yīng)力）。當(dāng)外電場消失則晶體（電介質(zhì)）的機(jī)械形變（機(jī)械應(yīng)力）消失。介質(zhì)）的機(jī)械形變（機(jī)械應(yīng)力）消失。4.1.3、壓電式傳感器的特點基于壓電

5、效應(yīng)的壓電傳感器具有許多應(yīng)用特基于壓電效應(yīng)的壓電傳感器具有許多應(yīng)用特點。點。1.響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高。響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高。第第4.1節(jié)概述節(jié)概述4.1.3、壓電式傳感器的特點1.響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高。響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高。2.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、質(zhì)輕。結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、質(zhì)輕。3.廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，電聲學(xué)廣泛應(yīng)用于工程力學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域。等許多技術(shù)領(lǐng)域。4.3節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器v4.1、概述、概述v4.2、壓電效應(yīng)分析v4.3、測量電路、測量電路4.3節(jié)壓電式傳感器節(jié)壓電式傳感器第4.2節(jié) 壓電效應(yīng)分析v4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析、石英晶體壓電

6、效應(yīng)分析v4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析石英晶體：石英晶體： 又稱水晶體（單晶體）。又稱水晶體（單晶體）。天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈現(xiàn)一個正六面體的形天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈現(xiàn)一個正六面體的形狀。如圖所示：狀。如圖所示：2osi第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析其中，其中，x軸軸電軸，經(jīng)過六面體棱電軸，經(jīng)過六面體棱線線 y軸軸機(jī)械軸，垂直于六面體棱機(jī)械軸，垂直于六面體棱面面 z軸軸光軸，垂直于晶體光軸，垂直于晶體截面截面且與且與x， y軸垂直。軸垂直。第第4.

7、2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析結(jié)論：石英晶體壓電片如圖所示，在其結(jié)論：石英晶體壓電片如圖所示，在其x軸，軸，y軸方向上加外力軸方向上加外力f時，均在時，均在x軸的兩個軸的兩個截面上產(chǎn)生符號相反的電荷。而在截面上產(chǎn)生符號相反的電荷。而在z軸方向軸方向上加外力時，不會產(chǎn)生任何壓電效應(yīng)。上加外力時，不會產(chǎn)生任何壓電效應(yīng)。第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析（1）石英晶體）石英晶體 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖所示，硅氧離子結(jié)構(gòu)排列，圖如圖所示，硅氧離子結(jié)構(gòu)排列，圖(a)224osi第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效

8、應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析（1）如圖所示，）如圖所示，如果用如果用 表示表示 ， 表示表示 則形成正則形成正六邊形對稱排列，圖六邊形對稱排列，圖(b)4is222o第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析（2）外力）外力 時時如圖所示，三個大小相等，夾角如圖所示，三個大小相等，夾角 的正負(fù)的正負(fù)電荷之間的電偶極矩電荷之間的電偶極矩其中其中0 xf120lqppp321正負(fù)電荷之間的距離電荷量lq第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析（2）外力）外

9、力 時時且且 （合電偶極（合電偶極矩為零，不呈現(xiàn)極性）矩為零，不呈現(xiàn)極性） （3）在）在x軸方向上加壓力軸方向上加壓力 時（縱向壓時（縱向壓電效應(yīng)），如圖所示，正負(fù)電荷離子相對位電效應(yīng)），如圖所示，正負(fù)電荷離子相對位置發(fā)生變化。置發(fā)生變化。0 xf0321ppp0 xf第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析 （3）在）在x軸方向上加壓力軸方向上加壓力 時（縱向時（縱向壓電效應(yīng)）壓電效應(yīng)）則電偶極矩在則電偶極矩在x軸方向分軸方向分量，量， 在在x正方向正方向上產(chǎn)生正電荷。上產(chǎn)生正電荷。x軸的反方向軸的反方向上產(chǎn)生負(fù)電荷。在上產(chǎn)生負(fù)電荷。在y軸

10、和軸和z軸上軸上不產(chǎn)生電荷。不產(chǎn)生電荷。0321xppp0 xf第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析 （4）在）在x軸方向上加拉力軸方向上加拉力 時（縱向時（縱向壓電效應(yīng)）壓電效應(yīng)）如圖所示。同理：如圖所示。同理：則則x軸正方向上產(chǎn)生負(fù)軸正方向上產(chǎn)生負(fù)電荷。其反方向上產(chǎn)生電荷。其反方向上產(chǎn)生正電荷。在正電荷。在y軸和軸和z軸方軸方向上不產(chǎn)生電荷。向上不產(chǎn)生電荷。0321xppp0 xf第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析1.壓電效應(yīng)過程分析（5）在）在y軸方向上加拉力軸方向上加拉力 時時(橫向壓電效應(yīng)橫

11、向壓電效應(yīng))當(dāng)當(dāng) （拉力），其效果如圖（拉力），其效果如圖(b) （壓力）時的情況相似。（壓力）時的情況相似。當(dāng)當(dāng) （壓力），其效果如圖（壓力），其效果如圖(c) （拉力）時的情況相似。（拉力）時的情況相似。（6）在）在z軸方向上加外力軸方向上加外力 時（無壓電效應(yīng)）時（無壓電效應(yīng)）由于正負(fù)離子位置保持不變，其由于正負(fù)離子位置保持不變，其所以不產(chǎn)生任何方向上的壓電效應(yīng)所以不產(chǎn)生任何方向上的壓電效應(yīng)yf0yf0yf0 xf0 xfzf0321ppp第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析2.電荷大小分析（1）在）在x軸方向上加外力軸方向上加外力 時時在在x軸表面上

12、產(chǎn)生的電荷量軸表面上產(chǎn)生的電荷量 （垂直于（垂直于x軸表面上的電荷量）軸表面上的電荷量）其中：其中： 壓電系數(shù)壓電系數(shù)分析：作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極分析：作用力使晶體發(fā)生形變，并發(fā)生極化現(xiàn)象產(chǎn)生一定的極化強(qiáng)度?；F(xiàn)象產(chǎn)生一定的極化強(qiáng)度。其極化強(qiáng)度：其極化強(qiáng)度： 與應(yīng)力與應(yīng)力 大小有關(guān)大小有關(guān)則：則：xfxxqxxxfdq11牛頓）（庫侖/103 . 211211cnd11dxxxxdp11xx第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析2.電荷大小分析（1）在）在x軸方向上加外力軸方向上加外力 時時在在x軸表面上產(chǎn)生的電荷量軸表面上產(chǎn)生的電荷量其其極化強(qiáng)度極化

13、強(qiáng)度： 與應(yīng)力與應(yīng)力 大小有大小有關(guān)則：關(guān)則： （ ：x軸方向截面積）軸方向截面積）而極化強(qiáng)度而極化強(qiáng)度 在數(shù)值上等于晶體表在數(shù)值上等于晶體表面面上的上的電電荷密度荷密度。即。即所以所以 成立成立xfxxqxxxxdp11xxbllbfdpxxx11xxplbqpxxxxxxxxxxfdqlbfdlbq1111第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析2.電荷大小分析（1）在）在x軸方向上加外力軸方向上加外力 時時相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)根據(jù)逆壓電效應(yīng)，在根據(jù)逆壓電效應(yīng)，在x軸方向上施加外電軸方向上施加外電壓壓 作用下，則產(chǎn)生晶體形變作用下，則產(chǎn)生晶體形變

14、 （式中（式中 是壓力片的厚度）是壓力片的厚度）相對應(yīng)變相對應(yīng)變 （ ：x軸方向上的電場強(qiáng)度）軸方向上的電場強(qiáng)度）xfxutxudt11txtedtudtt1111xe第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析2.電荷大小分析（2）同樣在）同樣在y軸方向上加外力軸方向上加外力 時時yf第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析2.電荷大小分析（2）在）在y軸方向上加外力軸方向上加外力 時時在在x軸方向表面上產(chǎn)生的電荷軸方向表面上產(chǎn)生的電荷 （壓電系數(shù)）（壓電系數(shù)） 分析：分析：而電荷密度而電荷密度 成立成立yfxyqyyxyftldf

15、tldq11121112ddbtfddpyxyxy1212lbqdpxyxy12yxyftldq12第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析2.電荷大小分析（2）在）在y軸方向上加外力軸方向上加外力 時時同理逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變同理逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變在在x軸方向上加電場軸方向上加電場 則則其相對應(yīng)變其相對應(yīng)變yfxuxutldl11xxedtudll1111l第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.1、石英晶體壓電效應(yīng)分析3.結(jié)論（1）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)應(yīng)變）與電

16、荷（或電場強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系。系。（2）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。（3）石英晶體不是在任何方向上都存在壓電）石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)的。效應(yīng)的。第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析壓電陶瓷是屬于鐵電體一類物質(zhì)，是人工壓電陶瓷是屬于鐵電體一類物質(zhì)，是人工制造的多晶體材料。具有類似鐵磁體材料磁制造的多晶體材料。具有類似鐵磁體材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)即電疇特性。即電疇特性。1.電疇特性和極化處理（1）電疇特性）電疇特性是指材料分子

17、自發(fā)形成的分子團(tuán)，如是指材料分子自發(fā)形成的分子團(tuán)，如圖所示。圖所示。具有一定的極化方向，從而存在一定的電具有一定的極化方向，從而存在一定的電場，但是分子團(tuán)的雜亂無章無規(guī)則排列，在場，但是分子團(tuán)的雜亂無章無規(guī)則排列，在無外電場無外電場的作用下，其呈現(xiàn)中性。的作用下，其呈現(xiàn)中性。第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析1.電疇特性和極化處理（1）電疇特性如圖所示。）電疇特性如圖所示。第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析1.電疇特性和極化處理（2）極化處理）極化處理在電場的作用下，電疇分子團(tuán)有規(guī)則在電場的作用下，電疇分子

18、團(tuán)有規(guī)則排列（趨于外電場方向）從而使材料得到極排列（趨于外電場方向）從而使材料得到極化，如圖（化，如圖（b）所示。外電場去除后，其內(nèi)部）所示。外電場去除后，其內(nèi)部殘存剩余極化強(qiáng)度圖（殘存剩余極化強(qiáng)度圖（c）所示。）所示。（3）壓電陶瓷需經(jīng)過極化處理后才具有一定）壓電陶瓷需經(jīng)過極化處理后才具有一定的壓電效應(yīng)。的壓電效應(yīng)。第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析極化處理后的壓電陶瓷材料，在其極化方極化處理后的壓電陶瓷材料，在其極化方向上施加外力時將會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。但其過向上施加外力時將會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。但其過程不同于石英晶體壓電過程。程不同于石英

19、晶體壓電過程。（1）在未受外力作用下）在未受外力作用下在未受外力作用下，整個壓電片如圖在未受外力作用下，整個壓電片如圖所示所示第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析（1）在未受外力作用下）在未受外力作用下第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析（1）在未受外力作用下）在未受外力作用下不呈現(xiàn)極性而是中性。不呈現(xiàn)極性而是中性。這是因為殘余極性強(qiáng)度產(chǎn)生正負(fù)束縛電荷，這是因為殘余極性強(qiáng)度產(chǎn)生正負(fù)束縛電荷，并且吸附了外界自由電荷起到屏蔽和抵消片并且吸附了外界自由電荷起到屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對外

20、界的作用。內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。（2）在外加與極化方向平行壓力）在外加與極化方向平行壓力f時時第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析（2）在外加與極化方向平行壓力）在外加與極化方向平行壓力f時時第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析（2）在外加與極化方向平行壓力）在外加與極化方向平行壓力f時時如圖所示，壓電片產(chǎn)生壓縮形變，使得正如圖所示，壓電片產(chǎn)生壓縮形變，使得正負(fù)束縛電荷距離變化，其極化強(qiáng)度也相應(yīng)變負(fù)束縛電荷距離變化，其極化強(qiáng)度也相應(yīng)變小，導(dǎo)致吸附表面的自由電荷一部分釋放形小，導(dǎo)

21、致吸附表面的自由電荷一部分釋放形成放電現(xiàn)象。當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)原狀，成放電現(xiàn)象。當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)原狀，吸附外界自由電荷，類似充電現(xiàn)象。因而產(chǎn)吸附外界自由電荷，類似充電現(xiàn)象。因而產(chǎn)生了一個充放電的壓電效應(yīng)。（即將機(jī)械能生了一個充放電的壓電效應(yīng)。（即將機(jī)械能-電能電能）第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析（3）逆壓電效應(yīng)分析）逆壓電效應(yīng)分析第第4.2節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析4.2.2、壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)分析2.壓電效應(yīng)分析（3）逆壓電效應(yīng)分析）逆壓電效應(yīng)分析如圖所示，在極化方向如圖所示，在極化方向上施加一個相同方向的外電場上

22、施加一個相同方向的外電場e e時，則產(chǎn)生增時，則產(chǎn)生增大極化強(qiáng)度的作用，使得正負(fù)束縛電荷距離大極化強(qiáng)度的作用，使得正負(fù)束縛電荷距離增加，即產(chǎn)生極化方向上的伸長形變，同理，增加，即產(chǎn)生極化方向上的伸長形變，同理，外電場方向改變，則產(chǎn)生一個壓縮形變。外電場方向改變，則產(chǎn)生一個壓縮形變。（電能（電能-機(jī)械能）機(jī)械能）4.3節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器v4.1、概述、概述v4.2、壓電效應(yīng)分析、壓電效應(yīng)分析v4.3、測量電路4.3節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器v壓電測力元件的電荷信號壓電測力元件的電荷信號v對壓電材料在外力作用下的信號幅值估算。設(shè)壓電敏感元件面積a=1cm2、厚度t=1mm、應(yīng)力=1

23、n/m2（即0.01g/cm2），考慮鋯鈦酸鉛，取其壓電電荷系數(shù)d=30010-12c/n，兩極板上的電荷密度為也就是說在1cm2電極表面的電荷q=310-14c，大約相當(dāng)于190000個電子1。這雖然是個極小的微觀量，但在現(xiàn)代的低噪聲、高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的電荷放大器完全可以把它放大為儀器儀表可以讀出的程度。210212103110300mcmnncdp4.3節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器v壓電測力元件的電荷信號壓電測力元件的電荷信號為了計算壓電元件兩極板上的電勢差，首先需要知道電容c。取鋯鈦酸鉛的相對介電常數(shù) 為1500。以上壓電元件的電容量為兩極板上的電壓則為可見0.01g/cm2這樣

24、微小的應(yīng)力就可在鋯鈦酸鉛元件的極板上產(chǎn)生23v的電壓，下面我們再來計算一下為產(chǎn)生這樣大小的電信號，壓敏元fmmvmctacr932212010331. 1101)101)(1500)(/108 . 8(rvcqv231033. 11039144.3節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器v壓電測力元件的電荷信號壓電測力元件的電荷信號件的厚度改變有多大,由胡克定律知相對形變與應(yīng)力 是線性關(guān)系，比例系數(shù)是楊氏模量e，即有取鋯鈦酸鉛的楊氏模量為1011n/m2 ，則有l(wèi)lemmmmmnmnlel11141010001. 010121124.3節(jié)節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器v壓電效應(yīng)測力特點是：信號的產(chǎn)生不需要

25、由外電源提供能量。v壓電元件在力的作用下產(chǎn)生的電荷量極小，電荷放大器必須具有較高的輸入阻抗以使壓敏元件產(chǎn)生的微小電荷信號不至于很快流失，并且需要低噪聲和高放大倍數(shù)。壓電效應(yīng)測力傳感器有高阻抗電荷模式高阻抗電荷模式和低阻抗電壓模式低阻抗電壓模式兩種。4.3節(jié)壓電式傳感器節(jié)壓電式傳感器第4.3節(jié) 測量電路v4.3.1、等效電路、等效電路v4.3.2、測量電路、測量電路v4.3.3、壓電片的連接方式、壓電片的連接方式第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路1. 壓電傳感器等效電路壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產(chǎn)壓電晶體在受外力作用下，其電極表面產(chǎn)生正負(fù)極性的電荷，因此可以看成一個靜電生正

26、負(fù)極性的電荷，因此可以看成一個靜電發(fā)生器，其類似一個以壓電材料為介質(zhì)的電發(fā)生器，其類似一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器容器 如圖所示。如圖所示。ac第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路1. 壓電傳感器等效電路當(dāng)兩極板有異性電荷時，當(dāng)兩極板有異性電荷時， 極板之間的電壓極板之間的電壓 fttscra0 qauaacqu 第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路2. 等效電路圖（1）壓電傳感器等效電路可以等效以下兩）壓電傳感器等效電路可以等效以下兩種情況種情況等效電壓源等效電壓源 如圖（如圖（a）所示）所示其中：其中：aacqu au第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路

27、2. 等效電路圖（1）壓電傳感器等效電路可以等效以下兩）壓電傳感器等效電路可以等效以下兩種情況種情況等效電荷源等效電荷源 如圖（如圖（b）所示）所示其中：其中：aaucq q第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路2. 等效電路圖（2）壓電晶體不適合靜態(tài)測量）壓電晶體不適合靜態(tài)測量由以上等效電路可知，只有當(dāng)壓電傳感器由以上等效電路可知，只有當(dāng)壓電傳感器內(nèi)部無漏損或外接負(fù)載內(nèi)部無漏損或外接負(fù)載 時，其受力后時，其受力后產(chǎn)生的電荷才能保持，否則將會放電釋放。產(chǎn)生的電荷才能保持，否則將會放電釋放。對于靜態(tài)、低頻測量是極不利的。只有外力對于靜態(tài)、低頻測量是極不利的。只有外力不斷高頻率作用下，才

28、能得以補(bǔ)充，因此在不斷高頻率作用下，才能得以補(bǔ)充，因此在這個意義上來講，壓電晶體不適合靜態(tài)測量。這個意義上來講，壓電晶體不適合靜態(tài)測量。lr第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路3. 實際應(yīng)用時，壓電傳感器完整等效電路（1）完整的電壓源等效電路）完整的電壓源等效電路放大器的輸入電容電纜導(dǎo)線對地電容電阻前置放大器的輸入傳感器的漏阻iciaccrr第第4.3 測量電路測量電路4.3.1、等效電路3. 實際應(yīng)用時，壓電傳感器完整等效電路（2）完整的電荷源等效電路）完整的電荷源等效電路電容放大器的輸入電容電纜導(dǎo)線對地輸入電阻前置放大器的傳感器的漏阻iciaccrr第第4.3 測量電路測量電路

29、4.3.2、測量電路1. 壓電傳感器前置放大器的作用由于傳感器內(nèi)阻很大，而輸出信號很小，由于傳感器內(nèi)阻很大，而輸出信號很小，一般不能直接取用，故需加裝前置放大器，一般不能直接取用，故需加裝前置放大器，其作用有：其作用有：（1）將傳感器的高輸出阻抗變換成放大）將傳感器的高輸出阻抗變換成放大器的低輸出阻抗。器的低輸出阻抗。（2）放大器放大傳感信號）放大器放大傳感信號2. 前置放大器的形式根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器可根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器可以是電壓形式輸出也可以是電荷形式輸出，以是電壓形式輸出也可以是電荷形式輸出，所以相應(yīng)有兩種放大器。所以相應(yīng)有兩種放大器。第第4.3 測量電路測

30、量電路4.3.2、測量電路2. 前置放大器的形式根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器可根據(jù)壓電傳感器等效電路可知，傳感器可以是電壓形式輸出也可以是電荷形式輸出，以是電壓形式輸出也可以是電荷形式輸出，所以相應(yīng)有兩種放大器。所以相應(yīng)有兩種放大器。（1）電壓型放大器）電壓型放大器（2）電荷型放大器）電荷型放大器3. 電壓放大器分析（1）原理圖）原理圖第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（1）如圖所示，）如圖所示，其中等效電阻其中等效電阻r:等效電容等效電容c:當(dāng)外力作用下：當(dāng)外力作用下： （ 為幅值）為幅值）根據(jù)壓電效應(yīng)根據(jù)壓電效應(yīng) ( 為壓電系數(shù)為壓電系數(shù)) iaia

31、iarrrrrrr/icicccccc/tffmsinmftfdfdqmsind第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（1）根據(jù)壓電效應(yīng)根據(jù)壓電效應(yīng)而而（2）放大器輸入）放大器輸入 分析分析tfdfdqmsinaamaacfdctfdcqusiniufdccrjrjrruuacjcjcjaia)(1/)1(11第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（2）放大器輸入）放大器輸入 分析分析當(dāng)：當(dāng)： 時時 上式簡化上式簡化其幅值其幅值iufcccdfccduciaaai)(1)(accrciamimcccfdu第第4.3 測量電路測量電路4

32、.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（3）結(jié)論）結(jié)論放大器的輸入放大器的輸入 與作用力與作用力 的頻率無關(guān)，的頻率無關(guān)，因此具較好的高頻響應(yīng)特性因此具較好的高頻響應(yīng)特性 改變壓電傳感器的引線電纜長度時，其電改變壓電傳感器的引線電纜長度時，其電纜電容纜電容 的變化將引起放大器輸入信號的變化將引起放大器輸入信號 的的變化。因此在測量中通常電纜長度需固定變化。因此在測量中通常電纜長度需固定（ =常數(shù)）否則會產(chǎn)生測量誤差。常數(shù)）否則會產(chǎn)生測量誤差。電壓靈敏度電壓靈敏度 imuccccimufuk第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（3）結(jié)論）結(jié)論電壓靈敏度電壓靈敏度即

33、，靈敏度與電路電容大小成反比關(guān)系。即，靈敏度與電路電容大小成反比關(guān)系。所以一般要求放大器的內(nèi)阻所以一般要求放大器的內(nèi)阻 增大（電容增大（電容c降低），則滿足降低），則滿足 條件。并且傳條件。并且傳感器有較好的低頻特性。從而提高了靈敏度感器有較好的低頻特性。從而提高了靈敏度ukicamimucccdfuk1)(accrir第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路4. 電荷放大器1分析（1）原理圖）原理圖如圖所示，具有如圖所示，具有深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋的高增益放大器。的高增益放大器。第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（2）放大器輸出）放大器輸出 分析分析忽

34、略忽略 ， 和和 的分流作用的分流作用則輸入電荷：則輸入電荷：其中：其中：scuarirfrfiqqq)()(0容反饋電阻、傳感器的電荷放大器的反饋電荷放大器的放大系數(shù)放大器的輸入電荷fffiqrqqqaq第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（2）放大器輸出）放大器輸出 分析分析scufscfcuuq)(fscascucu )(0fsccaua00)1 ( )(icaicccucuqicasccccau0causc0(c為等效電容)第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（2）放大器輸出）放大器輸出 分析分析scuicasccccau

35、0fscsccauaqcau000)1 (fsccauaq00)1 ( 由此可得：fsccacqau)1 (00第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（2）放大器輸出）放大器輸出 分析分析當(dāng)當(dāng) 時，時， 即（即（ ）則則scufsccacqau)1 (00ccaf)1 (010afsccqu第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（3）結(jié)論）結(jié)論 放大器的輸出放大器的輸出 正比于信號正比于信號 ，線性轉(zhuǎn)換，線性轉(zhuǎn)換 電壓靈敏度電壓靈敏度 其大小取決于反饋電容其大小取決于反饋電容 的大小。的大小。 與電壓放大器不同，電纜電容與電壓放大器不

36、同，電纜電容 與放大器與放大器的輸入電容的輸入電容 不會對輸出不會對輸出 產(chǎn)生產(chǎn)生影響，產(chǎn)生產(chǎn)生影響，故電纜引線長度變化不會帶來測量誤差。故電纜引線長度變化不會帶來測量誤差。scuqqkfscqcquk1fcccicscu第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（4）開環(huán)放大倍數(shù)）開環(huán)放大倍數(shù) 對精度的影響對精度的影響在上述討論中要求在上述討論中要求 則則 成立。所以當(dāng)成立。所以當(dāng) 不是很大時，必然會產(chǎn)生一不是很大時，必然會產(chǎn)生一個誤差個誤差則則fsccacqau)1 (0010accaf)1 (00a0afsccqufscscsccacuuu)1 (0(其 )ic

37、acccc第第4.3 測量電路測量電路4.3.2、測量電路3. 電壓放大器分析（4）開環(huán)放大倍數(shù) 對精度的影響那么當(dāng) ， ， 而要 時則要求 對于一般放大器該要求可以達(dá)0afscscsccacuuu)1 (0pfca1000pfcf100mpfcc100pfm410100%1100)1 (10100001. 004a4010a第第4.3 測量電路測量電路4.3.3、壓電片的連接方式在實際使用中壓電片的連接方式不同，具在實際使用中壓電片的連接方式不同，具有不同的靈敏度，采用增加壓電片的數(shù)目和有不同的靈敏度，采用增加壓電片的數(shù)目和適當(dāng)?shù)倪B接方式，可以提高傳感器的靈敏度適當(dāng)?shù)倪B接方式，可以提高傳感器的靈敏度1.壓電片的并聯(lián)形式如圖所示，并聯(lián)形式片如圖所示，并聯(lián)形式片上的負(fù)極集中在中間極上，上的