第4章常用傳感器原理及應(yīng)用4-6

1、機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用4 電容式傳感器電容式傳感器 一一. . 電容式傳感器電容式傳感器(Capacitance-type sensor)(Capacitance-type sensor) 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，通過電容式傳感器元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的通過電容式傳感器元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測目變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測目的的一種傳感器。因此

2、，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電的的一種傳感器。因此，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電量，均可用電容式傳感器進(jìn)行檢測。量，均可用電容式傳感器進(jìn)行檢測。 二二. . 電容式傳感器的檢測對象電容式傳感器的檢測對象 其主要檢測對象為：位移、振動、角度、加速度等機(jī)械其主要檢測對象為：位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量及壓力、差壓、液面、料面、成份含量等熱工參量。量及壓力、差壓、液面、料面、成份含量等熱工參量。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用電容式傳感器的電容式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)為：為：1. 結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)。結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)

3、性強(qiáng)。2. 需要的動作能量低，動態(tài)響應(yīng)好。需要的動作能量低，動態(tài)響應(yīng)好。3. 靈敏度高。靈敏度高。4. 動態(tài)響應(yīng)快。動態(tài)響應(yīng)快。5. 適應(yīng)性強(qiáng)。適應(yīng)性強(qiáng)。6. 自熱效應(yīng)小，溫度穩(wěn)定性好。自熱效應(yīng)小，溫度穩(wěn)定性好。7. 可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)。可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)。電容式傳感器的電容式傳感器的主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)有如下三點(diǎn)：有如下三點(diǎn)：1. 寄生電容的影響較大。寄生電容的影響較大。2. 輸出特性具有非線性。輸出特性具有非線性。3. 小功率、高阻抗。小功率、高阻抗。三三. . 電容式傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn)電容式傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第

4、4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用四四. . 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理 電容式傳感器的基本工作原理如圖電容式傳感器的基本工作原理如圖4.4.1所示。所示。 平板式電容器由兩個(gè)金屬極板構(gòu)成。平板式電容器由兩個(gè)金屬極板構(gòu)成。在兩極板間加上電壓，電極上就貯存有在兩極板間加上電壓，電極上就貯存有電荷，電容器即為一種貯存電場能的元電荷，電容器即為一種貯存電場能的元件。設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為件。設(shè)兩極板相互覆蓋的有效面積為S(m2)，兩極板間距離為，兩極板間距離為(m)，極板間，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)與相對介電常數(shù)分別為介質(zhì)的介電常數(shù)與相對介電常數(shù)分別為(Fm-1)與

5、與r，真空介電常數(shù)為，真空介電常數(shù)為0(8.8510-12Fm-1)，在忽略電容器的邊緣，在忽略電容器的邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容量為效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容量為 C=S/=r0S/=f(,S,) (4.4.1)圖圖4.4.1 平板電容器平板電容器機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 由此可見，電容量是由此可見，電容量是、S、的三元函數(shù)，當(dāng)?shù)娜瘮?shù)，當(dāng)、S、某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，都會引起電容量某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，都會引起電容量C的變化，的變化，從而使輸出電壓或電流發(fā)生變化。實(shí)際制作電容式傳感從而使輸出電壓或電

6、流發(fā)生變化。實(shí)際制作電容式傳感器時(shí)，常使器時(shí)，常使、S、三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)保持不變，僅改三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)保持不變，僅改變其中的一個(gè)參數(shù)，且使變化的參數(shù)與被測量之間存在變其中的一個(gè)參數(shù)，且使變化的參數(shù)與被測量之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，那么被測量的變化就可直接由電容量一定的函數(shù)關(guān)系，那么被測量的變化就可直接由電容量的變化反映出來。這就是電容式傳感器的基本工作原理。的變化反映出來。這就是電容式傳感器的基本工作原理。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用五五. . 電容式傳感器的分類及結(jié)構(gòu)電容式傳感器的分類及結(jié)構(gòu)根據(jù)上述基本工作原理一般

7、可制成三種類型。根據(jù)上述基本工作原理一般可制成三種類型。1. 變極距變極距(變間隙變間隙)式電容傳感器式電容傳感器 。2. 變面積式電容傳感器。變面積式電容傳感器。3. 變介電常數(shù)式電容傳感器。變介電常數(shù)式電容傳感器。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.4.2 電容式傳感器常見結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器常見結(jié)構(gòu)形式機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理

8、及應(yīng)用六六. . 電容式傳感器的靜態(tài)特性電容式傳感器的靜態(tài)特性 1. 1. 變極距變極距( (變間隙變間隙) )式電容傳感器式電容傳感器 由式由式(4.4.1)可知，當(dāng)極距可知，當(dāng)極距(極板間距極板間距)因被測量變化而引起因被測量變化而引起改變量改變量時(shí)，電容變化量為時(shí)，電容變化量為0CSSC(4.4.2)其中其中C0為極距為時(shí)的初始電容量。由為極距為時(shí)的初始電容量。由(4.4.2)可知，變極距型可知，變極距型電容式傳感器存在著原理上的非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如電容式傳感器存在著原理上的非線性誤差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如同電感式傳感器一樣，常利用差動式結(jié)構(gòu)來改善其非線性誤同電感式傳感器一樣，常利用差動

9、式結(jié)構(gòu)來改善其非線性誤差。差。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2. 變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器dxCdbadxabCCCx00)(dbxCK 對于變面積式平板形結(jié)構(gòu)電容傳感器，假設(shè)忽略極距的對于變面積式平板形結(jié)構(gòu)電容傳感器，假設(shè)忽略極距的影響及邊緣效應(yīng)，則如圖影響及邊緣效應(yīng)，則如圖4.4.3(a)所示線位移平板式電容傳感所示線位移平板式電容傳感器兩極板相對位移量為器兩極板相對位移量為x時(shí)，電容變化量與靈敏度分別為時(shí)，電容變化量與靈敏度分別為可見其具有原理上的線性性，且其靈敏度為常數(shù)。如圖可見其具有原理上的線性

10、性，且其靈敏度為常數(shù)。如圖4.4.3(b)所示線位移平板式電容傳感器兩圓柱極板相對位移量為所示線位移平板式電容傳感器兩圓柱極板相對位移量為xx時(shí)時(shí)，電容變化量為具有良好的線性性的形式，電容變化量為具有良好的線性性的形式(4.4.3)xxCrrxrrxxCCCx012120)/ln(2)/ln()(2(4.4.4)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 圖圖4.4.3 變面積式線位移電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖變面積式線位移電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用

11、傳感器原理及應(yīng)用3. 3. 變介電常數(shù)式電容傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器00/)(/)/(xbaxaC 如圖如圖4.4.4所示，設(shè)被測介質(zhì)所示，設(shè)被測介質(zhì)()進(jìn)入兩極板之間的距離為進(jìn)入兩極板之間的距離為x，其厚度為，其厚度為，忽略邊緣效應(yīng)，其輸出特性為，忽略邊緣效應(yīng)，其輸出特性為(4.4.5)圖圖4.4.4 變介電常數(shù)式平板線位移電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖變介電常數(shù)式平板線位移電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用七七. . 電容式傳感器的主要性能電容式傳感器的主要性能 1. 1. 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度 電容式

12、傳感器的電容式傳感器的靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時(shí)傳感器是被測量緩慢變化時(shí)傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。( (同學(xué)自己推導(dǎo)同學(xué)自己推導(dǎo)三種不同類型的電容式傳感器的靜態(tài)靈敏度三種不同類型的電容式傳感器的靜態(tài)靈敏度) ) 2. 2. 非線性非線性 變面積式與變介電常數(shù)式變面積式與變介電常數(shù)式( (除厚度測量外除厚度測量外) ) 原理上具有很原理上具有很好的線性。由好的線性。由(4.4.2)式知，變極距式知，變極距( (變間隙變間隙) )式電容傳感器具有式電容傳感器具有原理上的非線性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如同電感式傳感器一樣，常利原理上的非線

13、性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如同電感式傳感器一樣，常利用差動式結(jié)構(gòu)來改善其非線性誤差。用差動式結(jié)構(gòu)來改善其非線性誤差。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用采用差動式改善非線性特性采用差動式改善非線性特性)()(1 /1132002 , 1CCC 設(shè)變極距式電容傳感器工作范圍足夠小設(shè)變極距式電容傳感器工作范圍足夠小( (0.01m至零點(diǎn)幾至零點(diǎn)幾mm) )，即，即/1，采用差動式結(jié)構(gòu)，兩電容極距變化為，采用差動式結(jié)構(gòu)，兩電容極距變化為時(shí)，則由時(shí)，則由(4.4.2)式，兩電容變化量按式，兩電容變化量按Tarlor展開式展開，展開式展開，得

14、得)()(1 2420CC取兩電容之差為傳感器輸出量取兩電容之差為傳感器輸出量CC，則，則(4.4.6)(4.4.7)(4.4.7)式與式與(4.4.6)式相比，差動式非線性得到了極大地改善，其式相比，差動式非線性得到了極大地改善，其靈敏度也提高了靈敏度也提高了1 1倍。倍。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用八八. . 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度，尤其適合測量高頻

15、振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量。變極距型的適用于較小位移的測量，量程在等機(jī)械量。變極距型的適用于較小位移的測量，量程在0.01m至數(shù)百至數(shù)百m、精度可達(dá)、精度可達(dá)0.01m、分辨力可達(dá)、分辨力可達(dá)0.001m。變面積型的能測量較大的位移，量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫變面積型的能測量較大的位移，量程為零點(diǎn)幾毫米至數(shù)百毫米之間、線性優(yōu)于米之間、線性優(yōu)于0.5%、分辨力為、分辨力為0.010.001m。電容式角。電容式角度和角位移傳感器的動態(tài)范圍為度和角位移傳感器的動態(tài)范圍為0.1至幾十度，分辨力約為至幾十度，分辨力約為0.1，零位穩(wěn)定性可達(dá)角秒級，廣泛用于精密測角，如用于，零位穩(wěn)定性可達(dá)角

16、秒級，廣泛用于精密測角，如用于高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測振幅傳感器可測峰值高精度陀螺和擺式加速度計(jì)。電容式測振幅傳感器可測峰值為為050m、頻率為、頻率為102kHz，靈敏度高于，靈敏度高于0.01m，非線性誤，非線性誤差小于差小于0.05m。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 電容式傳感器還可用來測量壓力、壓差、液位、料面、成電容式傳感器還可用來測量壓力、壓差、液位、料面、成分含量分含量( (如油、糧食中的含水量如油、糧食中的含水量) )、非金屬材料的涂層、油膜等、非金屬材料的涂層、油膜等的厚度，測量電介質(zhì)的濕

17、度、密度、厚度等等，在自動檢測和的厚度，測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等，在自動檢測和控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。差動電容式壓力控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。差動電容式壓力傳感器測量范圍可達(dá)傳感器測量范圍可達(dá)50MPa，精度為，精度為0.25%0.5%。電容式。電容式傳感器厚度測量范圍為幾百微米，分辨力可達(dá)傳感器厚度測量范圍為幾百微米，分辨力可達(dá)0.01urn0.01urn。電容式。電容式接近開關(guān)不僅能檢測金屬，而且能檢測塑料、木材、紙、液體接近開關(guān)不僅能檢測金屬，而且能檢測塑料、木材、紙、液體等其他電介質(zhì)，但目前還不能達(dá)到超小型，其動作距離約為等其他電介質(zhì)，但目前還不能

18、達(dá)到超小型，其動作距離約為1020 mm。靜電電容式電平開關(guān)是廣泛用于檢測儲存在油罐、。靜電電容式電平開關(guān)是廣泛用于檢測儲存在油罐、料斗等容器中各種物體位置的一種成熟產(chǎn)品。料斗等容器中各種物體位置的一種成熟產(chǎn)品。 當(dāng)電容式傳感器測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅當(dāng)電容式傳感器測量金屬表面狀況、距離尺寸、振動振幅時(shí)，往往采用單邊式變極距型，這時(shí)被測物是電容器的一個(gè)電時(shí)，往往采用單邊式變極距型，這時(shí)被測物是電容器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。這類傳感器屬非接觸測量，動極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。這類傳感器屬非接觸測量，動態(tài)范圍比較小，約為十分之幾毫米左右，測量精度超過態(tài)范圍比較小，約為十分

19、之幾毫米左右，測量精度超過0.1m，分辨力為分辨力為0.010.001m。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感器元件，通過電容式傳感器元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的通過電容式傳感器元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測目變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率以達(dá)到檢測目的的一種傳感器。因此，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電的的一種傳感器。因此，凡是能引起電容量變化的有關(guān)非電量，均可

20、用電容式傳感器進(jìn)行檢測。其主要檢測對象為：位量，均可用電容式傳感器進(jìn)行檢測。其主要檢測對象為：位移、振動、角度、加速度等機(jī)械量及壓力、差壓、液面、料移、振動、角度、加速度等機(jī)械量及壓力、差壓、液面、料面、成份含量等熱工參量。面、成份含量等熱工參量。 本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用5 壓電式傳感器壓電式傳感器 一一. 概述概述 1. 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器(Piezoelectric transducer)是以某些晶體是以某些晶體(電介質(zhì)電介質(zhì))在外力作用下，在其表面產(chǎn)生電荷

21、的在外力作用下，在其表面產(chǎn)生電荷的“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，是一種典型的有源傳感器為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，是一種典型的有源傳感器(發(fā)電型傳發(fā)電型傳感器感器)。在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而。在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測量的目的。實(shí)現(xiàn)非電量電測量的目的。 2. 壓電式傳感器的測量對象壓電式傳感器的測量對象 壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度等，因而其應(yīng)用較為廣泛。等，因而其應(yīng)用較

22、為廣泛。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3. 壓電式傳感器的主要優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。比大、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓電式傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載壓電式傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能為無窮大，在某種意義上講不適合于靜態(tài)測量。也不可能為無窮大，在某種意義上講不適合于靜態(tài)測量。 4. 壓電式傳感器發(fā)展現(xiàn)狀壓電式傳感器發(fā)展現(xiàn)狀 壓電傳感器是

23、應(yīng)用較多的一種傳感器，近年來，由于電壓電傳感器是應(yīng)用較多的一種傳感器，近年來，由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、子技術(shù)的迅速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的應(yīng)用更為小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的應(yīng)用更為方便。因此在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域方便。因此在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中，壓電傳感器的獲得了廣泛的應(yīng)用。中，壓電傳感器的獲得了廣泛的應(yīng)用。 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用二二. . 壓電傳感器的工

24、作原理壓電傳感器的工作原理 壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。這些物質(zhì)在沿一定方向受到力或拉力作用而為基礎(chǔ)的。這些物質(zhì)在沿一定方向受到力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，發(fā)生變形時(shí)，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)(Piezoelectric effect)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料壓電材料或或壓電元件壓電元件。常見的壓電材料有石英晶體、鈦。常見的壓電材料有石英晶體

25、、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。酸鋇、鋯鈦酸鉛等。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 對某一具有壓電性的電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫δ骋痪哂袎弘娦缘碾娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┝Χ蛊渥冃螘r(shí)，其內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)其某些表力而使其變形時(shí)，其內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)其某些表面上將產(chǎn)生等量而異號的電荷面上將產(chǎn)生等量而異號的電荷(電荷量與作用力大小成正比電荷量與作用力大小成正比)；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為(正正)壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。 研究表明，正壓

26、電效應(yīng)的產(chǎn)生是由于介質(zhì)在外力作用下研究表明，正壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是由于介質(zhì)在外力作用下產(chǎn)生變形，而由變形產(chǎn)生電荷。因此，變形產(chǎn)生變形，而由變形產(chǎn)生電荷。因此，變形(S)是外力是外力(F)與電與電荷荷(Q)之間的傳遞變量，外力所作機(jī)械功通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換之間的傳遞變量，外力所作機(jī)械功通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電場能，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。成電場能，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。1. (正)壓電效應(yīng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 壓電介質(zhì)除具有正壓電效應(yīng)外，還具有逆壓電效應(yīng)。壓電介質(zhì)除具有正壓電效應(yīng)外，還具有逆壓電效應(yīng)。在壓電介質(zhì)的極化方向上

27、施加電場時(shí)，壓電介質(zhì)的某些方在壓電介質(zhì)的極化方向上施加電場時(shí)，壓電介質(zhì)的某些方向會產(chǎn)生正比于電場的變形，這種現(xiàn)象稱為向會產(chǎn)生正比于電場的變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)，或或電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)。 上述兩種效應(yīng)可簡單表述為：上述兩種效應(yīng)可簡單表述為： 正壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：FSQ(E) 逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：ESF2. 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 1. 石英晶體及其晶軸石英晶體及其晶軸 石英晶體是最常用的壓電晶體之一，其化學(xué)式為石英晶體是最常用的壓電晶體之一，其化學(xué)式為SiO2。

28、它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。其天然結(jié)構(gòu)石英晶體的它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。其天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形圖為一規(guī)則的六角棱柱體，如圖理想外形圖為一規(guī)則的六角棱柱體，如圖4.5.1(a)所示。所示。 在晶體學(xué)中，可將石英晶體以三根相互垂直的軸來表示在晶體學(xué)中，可將石英晶體以三根相互垂直的軸來表示，這三根軸統(tǒng)稱為晶軸，如圖，這三根軸統(tǒng)稱為晶軸，如圖4.5.1(b)所示，其規(guī)定為：所示，其規(guī)定為： Z軸：又稱為軸：又稱為光軸光軸，它與晶體的縱軸線方向一致。，它與晶體的縱軸線方向一致。 X軸：又稱為軸：又稱為電軸電軸，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線并垂，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線并垂直于光軸。直于

29、光軸。 Y軸：又稱為軸：又稱為機(jī)械軸機(jī)械軸，它垂直于六面體相對的兩個(gè)棱面，它垂直于六面體相對的兩個(gè)棱面(與與Z軸、軸、X軸同時(shí)垂直軸同時(shí)垂直)。三三. . 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.1 石英晶體石英晶體機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2. 石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 石英晶體的化學(xué)式為石英晶體的化學(xué)式為SiO2，在每一個(gè)晶體單元中，它有三個(gè)在每一個(gè)晶體單元中，它有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧

30、離子，后者是成硅離子和六個(gè)氧離子，后者是成對的，硅離子有對的，硅離子有4個(gè)正電荷，氧個(gè)正電荷，氧離子有兩個(gè)負(fù)電荷。一個(gè)硅離子離子有兩個(gè)負(fù)電荷。一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列，其在和兩個(gè)氧離子交替排列，其在Z平面上的投影如圖平面上的投影如圖4.5.2所示。所示。圖圖4.5.2 硅、氧離子在硅、氧離子在Z Z平面上的投影平面上的投影機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體所以能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不石英晶體所以能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開的。為討論方便，我們將開

31、的。為討論方便，我們將4.5.2中硅、氧離子的排列等效中硅、氧離子的排列等效為圖為圖4.5.3(a)中的正六邊形排列。其中中的正六邊形排列。其中“+”+”與與“-”-”分別代分別代表表Si4+與與2O2-。我們分下述幾種情況分別討論石英晶體受外。我們分下述幾種情況分別討論石英晶體受外力作用時(shí)晶格的變化情況。力作用時(shí)晶格的變化情況。 (1) (1) 各方向外作用力均為各方向外作用力均為0 0時(shí)：時(shí)：此時(shí)，由于正負(fù)離子此時(shí)，由于正負(fù)離子( (即即Si4+和和2O2-) )正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成成120夾角的電偶極矩。各方向外作用力均為夾角的電

32、偶極矩。各方向外作用力均為0 0時(shí)，正負(fù)時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，其外部不呈帶電現(xiàn)象。電荷相互平衡，其外部不呈帶電現(xiàn)象。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 (4) 僅受僅受Y軸方向作用力時(shí)：軸方向作用力時(shí)：此時(shí)類似于此時(shí)類似于X軸受力的討軸受力的討論，論， 為為Y軸方向的拉力或壓力使晶體所產(chǎn)生的形變分別與軸方向的拉力或壓力使晶體所產(chǎn)生的形變分別與圖圖4.5.3之之(b)、(c)相同，由此可得結(jié)論：石英晶體沿相同，由此可得結(jié)論：石英晶體沿Y軸方軸方向受力時(shí)，僅在向受力時(shí)，僅在X X軸方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)，在軸方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)，在Y

33、、Z軸方向則軸方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這一壓電效應(yīng)稱為不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。這一壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。 (5) 僅受僅受Z軸方向作用力時(shí)：軸方向作用力時(shí)：此時(shí)晶體在此時(shí)晶體在X軸、軸、Y軸方軸方向上產(chǎn)生的形變完全相同向上產(chǎn)生的形變完全相同( (硅離子和氧離子對稱平移硅離子和氧離子對稱平移) )。其。其正負(fù)電荷中心仍保持重合，電偶極矩矢量和仍為正負(fù)電荷中心仍保持重合，電偶極矩矢量和仍為0，因而，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 (6) 受切向應(yīng)力作用及其它復(fù)雜情況：受切向應(yīng)力作用及其它復(fù)雜情況：我們將在后面我們將在后面簡介對應(yīng)情況的結(jié)果。簡介對應(yīng)情況的結(jié)果。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)

34、院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.3 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用4. 4. 石英晶體的切片石英晶體的切片 所謂所謂晶體切片晶體切片，即按一定的要求對晶體材料進(jìn)行切割處，即按一定的要求對晶體材料進(jìn)行切割處理所獲得的便于實(shí)際應(yīng)用的晶體立體，簡稱為理所獲得的便于實(shí)際應(yīng)用的晶體立體，簡稱為晶片晶片，一般為，一般為沿軸線切割所得平行六面體。沿軸線切割所得平行六面體。 如圖如圖4.5.4所示，根據(jù)石英晶體的壓電效應(yīng)，其晶面分別

35、所示，根據(jù)石英晶體的壓電效應(yīng)，其晶面分別平行于平行于X、Y、Z軸，以垂直于軸，以垂直于X軸方向的兩面為電極面，其軸方向的兩面為電極面，其電極面一般采用真空鍍?；虺零y法獲得。由前述石英晶體的電極面一般采用真空鍍?；虺零y法獲得。由前述石英晶體的壓電效應(yīng)可知，晶體受力方向與其晶面上電荷極性的關(guān)系如壓電效應(yīng)可知，晶體受力方向與其晶面上電荷極性的關(guān)系如圖圖4.5.5所示。所示。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.4 晶體切片晶體切片圖圖4.5.5 晶體切片上電荷符號與受力方向的關(guān)系晶體切片上電荷符號與受力方向的關(guān)系機(jī)電工

36、程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用四四. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 1. 壓電陶瓷及其電疇壓電陶瓷及其電疇 壓電陶瓷具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。所謂電壓電陶瓷具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。所謂電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布，定的電場。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此，原始狀態(tài)的壓電陶瓷對外它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此，原始狀態(tài)的

37、壓電陶瓷對外呈中性，不具有壓電效應(yīng)。圖呈中性，不具有壓電效應(yīng)。圖4.5.6(a)為壓電陶瓷原始狀態(tài)為壓電陶瓷原始狀態(tài)(未未極化時(shí)極化時(shí))的電疇分布情況。的電疇分布情況。 2. 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化 在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進(jìn)行極化處理即施以強(qiáng)在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進(jìn)行極化處理即施以強(qiáng)外電場。此時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場的外電場。此時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場的方向排列，從而便材料得到極化方向排列，從而便材料得到極化(圖圖4.5.6(b)，當(dāng)極化電場去除，當(dāng)極化電場去除后，電疇基本上保持不變，這樣，極化處理后陶瓷內(nèi)部仍存在后，電疇基本上保持不變

38、，這樣，極化處理后陶瓷內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的剩余極化，如圖很強(qiáng)的剩余極化，如圖4.5.6(c)所示。所示。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.6 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3. 壓電陶瓷的軸向壓電陶瓷的軸向 對壓電陶瓷而言，將其對壓電陶瓷而言，將其極化方向定義為極化方向定義為Z軸，在垂軸，在垂直于直于Z軸的平面上，可任意軸的平面上，可任意選擇一正交軸系為選擇一正交軸系為X軸及軸及Y軸。對壓電陶瓷而言其坐標(biāo)軸。

39、對壓電陶瓷而言其坐標(biāo)系取左手系或右手系是無關(guān)系取左手系或右手系是無關(guān)緊要的。一般情況下，對于緊要的。一般情況下，對于壓電陶瓷切片，壓電陶瓷切片，Z軸為極化軸為極化方向，而方向，而X、Y軸分別垂直軸分別垂直兩個(gè)切面，且成左手系，如兩個(gè)切面，且成左手系，如圖圖4.5.7所示。所示。圖圖4.5.7 壓電陶瓷的壓電原理壓電陶瓷的壓電原理機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用4. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 壓電陶瓷在未極化前不具有壓電現(xiàn)象，是非壓電體。壓電陶瓷在未極化前不具有壓電現(xiàn)象，是非壓電體。極化后則具有非常高的壓電常

40、數(shù)，為石英晶體的幾百倍。極化后則具有非常高的壓電常數(shù)，為石英晶體的幾百倍。如圖如圖4.5.7(a)所示，壓電陶瓷在沿極化方向受力所示，壓電陶瓷在沿極化方向受力( (即在極化即在極化面上受到垂直于它的均勻分布的作用力面上受到垂直于它的均勻分布的作用力) )時(shí)，則在這兩個(gè)時(shí)，則在這兩個(gè)極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷；如圖極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷；如圖4.5.7(b)所示，壓電所示，壓電陶瓷在沿陶瓷在沿X(Y)軸方向受均勻分布的作用力時(shí)，在面上亦軸方向受均勻分布的作用力時(shí)，在面上亦出現(xiàn)正、負(fù)電荷，但其符號與前種情況下相反出現(xiàn)正、負(fù)電荷，但其符號與前種情況下相反機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chua

41、n 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.8 自由電荷與吸附束縛電荷示意圖自由電荷與吸附束縛電荷示意圖 極化處理后，壓電陶瓷極化處理后，壓電陶瓷內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。但其內(nèi)部的極化強(qiáng)化強(qiáng)度。但其內(nèi)部的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在其一端出現(xiàn)正現(xiàn)出來，即在其一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷，如圖縛電荷，如圖4.5.8所示。由所示。由于束縛電荷的作用，在陶瓷于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自自外界的自

42、由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反、數(shù)量相等，它荷符號相反、數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。化強(qiáng)度對外界的作用。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 如果陶瓷片受到與極化方向平行的均勻分布的作用力如果陶瓷片受到與極化方向平行的均勻分布的作用力F，如，如圖圖4.5.9(a)所示，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形所示，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形(圖中虛線圖中虛線)，片內(nèi)的正，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小，原來吸附在、負(fù)束縛電荷之間的距離變

43、小，極化強(qiáng)度也變小，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)F撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(膨脹過程膨脹過程)，片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之，片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電間的距離變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。顯然，當(dāng)現(xiàn)象。顯然，當(dāng)F的方向與的方向與X軸或軸或Y軸平行時(shí)，其充放電現(xiàn)象恰軸平行時(shí)，其充放電現(xiàn)象恰好與上述情況相反。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)好與上述情況相反。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是械能轉(zhuǎn)變

44、為電能的現(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.9 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用逆壓電效應(yīng) 若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，如圖若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場，如圖4.5.9(b)所示，由于電場方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電所示，由于電場方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場的作用使極化強(qiáng)度增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形場的作用使極化強(qiáng)度增大

45、，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變變( (圖中虛線圖中虛線) )。反之，若外加電場的方向與極化強(qiáng)度的方向。反之，若外加電場的方向與極化強(qiáng)度的方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)變成為機(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆變成為機(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用五. 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式 在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，常常將若干片壓電在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，常常將若

46、干片壓電元件組合在一起。這種組合方法的原則是：元件組合在一起。這種組合方法的原則是： 壓電組合元件在力學(xué)上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)；在電路上可采用串聯(lián)壓電組合元件在力學(xué)上是串聯(lián)結(jié)構(gòu)；在電路上可采用串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這是由于壓電元件是有極性的。或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這是由于壓電元件是有極性的。 1. 1. 力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu) 若干片壓電元件在力學(xué)上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，保證了所有壓若干片壓電元件在力學(xué)上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，保證了所有壓電元件受到同樣大小的作用力。因此每片壓電元件所產(chǎn)生的應(yīng)電元件受到同樣大小的作用力。因此每片壓電元件所產(chǎn)生的應(yīng)變及電荷都與單片時(shí)相同。變及電荷都與單片時(shí)相同。 疊層式結(jié)構(gòu)：疊層式結(jié)構(gòu)：即將若干片壓電元件疊

47、合一起，保證了力學(xué)即將若干片壓電元件疊合一起，保證了力學(xué)上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。上的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 預(yù)應(yīng)力：預(yù)應(yīng)力：一定的預(yù)應(yīng)力以保證在作用力變化時(shí)，壓電元件一定的預(yù)應(yīng)力以保證在作用力變化時(shí)，壓電元件始終受到壓力。其次是保證壓電元件與作用力之間的全面均勻始終受到壓力。其次是保證壓電元件與作用力之間的全面均勻接觸，接觸，機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用圖圖4.5.10 壓電元件的組合結(jié)構(gòu)壓電元件的組合結(jié)構(gòu)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2. 電學(xué)結(jié)構(gòu) (1)

48、串聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu) 圖圖4.5.10(b)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)單片晶片的電為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)單片晶片的電容為容為Ca 輸出電壓為輸出電壓為Ua，電荷量為，電荷量為q，n片單晶串聯(lián)后則有片單晶串聯(lián)后則有 Ca=Ca/n，Ua=nUa，q=q (4.5.1) 可見，串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電可見，串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。此時(shí)，與壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。此時(shí)，與單片晶片相比其電壓靈敏度增大單片晶片相比其電壓靈敏度增大n倍。倍。 (2) 并聯(lián)結(jié)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu) 圖圖4.5.10(a)為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。設(shè)各符號意義同為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。設(shè)

49、各符號意義同上，則有上，則有 Ca=n Ca，Ua=Ua，q=nq (4.5.2) 可見，并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大，因此時(shí)可見，并聯(lián)接法輸出電荷量大，本身電容也大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測量慢變信號，并以電荷量作為輸出的間常數(shù)也大，適用于測量慢變信號，并以電荷量作為輸出的場合。此時(shí)，與單片晶片相比其電荷靈敏度增加場合。此時(shí)，與單片晶片相比其電荷靈敏度增加n n倍。倍。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用六. 壓電式傳感器的等效電路 1. 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可以由壓

50、電元件的工作原理可以知道，從信號變換的角度看，壓知道，從信號變換的角度看，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器，電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器，其電荷量其電荷量q正比于應(yīng)力正比于應(yīng)力F，如圖，如圖4.5.12(a)所示。從結(jié)構(gòu)上來看，所示。從結(jié)構(gòu)上來看，壓電元件又相當(dāng)于一個(gè)電容器，壓電元件又相當(dāng)于一個(gè)電容器，壓電元件的兩極板之間又存在電壓電元件的兩極板之間又存在電容容Ca，如圖，如圖4.5.12(b)所示。所示。圖圖4.5.12 壓電傳感器的等效原理圖壓電傳感器的等效原理圖機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 設(shè)真空介電常數(shù)為設(shè)真空介

51、電常數(shù)為0= 8.8510-1Fm-12，壓電材料的，壓電材料的相對介電常數(shù)為相對介電常數(shù)為r，壓電片極，壓電片極板的面積為板的面積為A，厚度為，厚度為h，則，則對于壓電元件而言其上的電荷對于壓電元件而言其上的電荷q、電容、電容Ca、電壓、電壓Ua有有 Ca=0rA/h，Ua=q/Ca (4.5.3)這樣，壓電式傳感器可以等效這樣，壓電式傳感器可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖，如圖4.5.13(a)所示，也可以所示，也可以等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源。如圖源。如圖4.5.13(b)所示。所示。圖圖4.5.13 壓電式傳感器的等效電路壓

52、電式傳感器的等效電路機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2. 壓電式傳感器的實(shí)際等效電路壓電式傳感器的實(shí)際等效電路 上述壓電式傳感器的等效電路忽略了壓電元件的機(jī)械阻抗上述壓電式傳感器的等效電路忽略了壓電元件的機(jī)械阻抗Zm，并且假設(shè)為空載時(shí)得到的簡化模型。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要與測，并且假設(shè)為空載時(shí)得到的簡化模型。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要與測量電路相連接，應(yīng)該考慮電纜電容量電路相連接，應(yīng)該考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容輸入電容Ci，以及壓電式傳感器的泄漏電阻，以及壓電式傳感器的泄漏電阻Ra。考慮這些因素?？?/p>

53、慮這些因素時(shí)，其實(shí)際等效電路如圖時(shí)，其實(shí)際等效電路如圖4.5.14所示。所示。圖圖4.5.14 壓電式傳感器的實(shí)際等效電路壓電式傳感器的實(shí)際等效電路機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3. 3. 壓電式傳感器的適用情況壓電式傳感器的適用情況 由等效電路可知，只有壓電式傳感器內(nèi)部信號電荷無由等效電路可知，只有壓電式傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損漏損”，外電路負(fù)載無窮大時(shí)，壓電式傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電，外電路負(fù)載無窮大時(shí)，壓電式傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存下來，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電荷才能長期保存下來

54、，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電，這對于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。，這對于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無窮事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，從這個(gè)意義上講，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。充，從這個(gè)意義上講，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。 4 4. . 壓電式傳感器的靈敏度壓電式傳感器的靈敏度 壓電式傳感器的靈敏度壓電式傳感器的靈敏度K有兩種表示方式。它可表示為單位有兩

55、種表示方式。它可表示為單位力的電壓，即電壓靈敏度力的電壓，即電壓靈敏度Ku；也可表示為單位力的電荷，即電荷；也可表示為單位力的電荷，即電荷靈敏度靈敏度Kq。因?yàn)?。因?yàn)閁a=q/Ca，故它們之間的關(guān)系為，故它們之間的關(guān)系為 Ku = Kq/Ca (4.5.4)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用七七. 壓電式傳感器檢測電路壓電式傳感器檢測電路 1. 壓電式傳感器檢測電路的作用壓電式傳感器檢測電路的作用 壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，且輸出的信號很微弱。壓壓電式傳感器本身內(nèi)阻抗很高，且輸出的信號很微弱。壓電式傳感器的測試系統(tǒng)應(yīng)有

56、較大的時(shí)間常數(shù)，即其測量電路應(yīng)電式傳感器的測試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，即其測量電路應(yīng)有一個(gè)高輸入阻抗的前置放大級作為阻抗匹配。這樣也防止了有一個(gè)高輸入阻抗的前置放大級作為阻抗匹配。這樣也防止了傳感器的信號電荷通過輸入電路泄漏而產(chǎn)生測量誤差。傳感器的信號電荷通過輸入電路泄漏而產(chǎn)生測量誤差。 壓電式傳感器的壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用前置放大器有兩個(gè)作用：一是將壓電式傳：一是將壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低阻抗輸出；二是將壓電式傳感器輸感器的高輸出阻抗變換為低阻抗輸出；二是將壓電式傳感器輸出的信號進(jìn)行放大。出的信號進(jìn)行放大。 壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號壓電式傳感器的

57、輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。因而，前置放大器有兩種形式：。因而，前置放大器有兩種形式： 一種是一種是電壓放大器電壓放大器，其輸出，其輸出電壓與輸入電壓電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓傳感器的輸出電壓)成正比；一種是成正比；一種是電荷放大電荷放大器器，其輸出電壓與輸入電荷，其輸出電壓與輸入電荷(傳感器的輸出電荷傳感器的輸出電荷)成正比。成正比。機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用2. 電壓放大器電壓放大器 壓電式傳感壓電式傳感器連接電壓放大器連接電壓放大器的等效電路如器的等效電路如圖圖4.5.15所示。其所示。其中

58、中(b)為簡化的等為簡化的等效電路圖。效電路圖。圖圖4.5.15 壓電式傳感器接電壓放大器的等效電路壓電式傳感器接電壓放大器的等效電路機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用3. 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器實(shí)電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反際上是一個(gè)具有反饋電容的深度負(fù)反饋電容的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放饋的高增益運(yùn)算放大器。壓電式傳感大器。壓電式傳感器與電荷放大器連器與電荷放大器連接的等效電路見圖接的等效電路見圖4.5.16所示。所示。(a)為原為原理電路圖，理電路圖，(b)為由為由“密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)”得到得到的等效電路圖。

59、的等效電路圖。圖圖4.5.16 壓電式傳感器接電荷放大器的等效電路壓電式傳感器接電荷放大器的等效電路機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用八八. 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測壓電式傳感元件是力敏感元件，所以壓電式傳感器能測量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度量最終能變換為力的各種物理量。如：力、應(yīng)壓力、加速度等。圖等。圖4.5.17與與4.5.18分別為壓電式加速度與振動傳感器。分別為壓電式加速度與振動傳感器。圖圖4.5.17 壓電式加速度傳感器壓電式

60、加速度傳感器 圖圖4.5.18 壓電式振動傳感器壓電式振動傳感器機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 Sun Chuan 68215第第4章章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié) 壓電式傳感器是以某些晶體壓電式傳感器是以某些晶體(電介質(zhì)電介質(zhì))在外力作用下，在外力作用下，在其表面產(chǎn)生電荷的在其表面產(chǎn)生電荷的“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，是一種典型的有源傳感器是一種典型的有源傳感器(發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器)。在外力作用。在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測量的目的。壓電式傳感元件是力敏