第5章壓電式傳感器

1、第第5章章 壓電式傳感器壓電式傳感器1*第第5章章 壓電式傳感器壓電式傳感器力力F 電荷電荷Q5.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 5.2壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 5.3壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 5.4壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 5.5壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用2*第第5章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理：壓電效應(yīng)；：壓電效應(yīng)； 壓電材料壓電材料：石英晶體：石英晶體(SiO2)和壓電陶瓷多晶體；和壓電陶瓷多晶體； 壓電敏感元件是壓電敏感元件是力敏元件，力敏元件，典型的典型

2、的雙向傳感器；雙向傳感器； 壓電式傳感器特別適合于壓電式傳感器特別適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量；動(dòng)態(tài)測(cè)量； 主要主要缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：無靜態(tài)輸出，輸出阻抗高，需前置放大級(jí)。無靜態(tài)輸出，輸出阻抗高，需前置放大級(jí)。圖圖5-1 壓電效應(yīng)示意圖壓電效應(yīng)示意圖3*5.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) n某些單晶體或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾承﹩尉w或多晶體陶瓷電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上便產(chǎn)生變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷也消失，又重新恢復(fù)不

3、符號(hào)相反的等量電荷，當(dāng)外力取消后，電荷也消失，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變的極性也隨著改變4*5.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理n2、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）n當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)(加電壓加電壓)作用時(shí)，這作用時(shí)，這些電介質(zhì)晶體會(huì)在一定的晶軸方向產(chǎn)生機(jī)械變形，外些電介質(zhì)晶體會(huì)在一定的晶軸方向產(chǎn)生機(jī)械變形，外加電場(chǎng)消失，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為加電場(chǎng)消失，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電逆壓電效應(yīng)

4、效應(yīng)(電致伸縮電致伸縮)。n具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料壓電材料或壓電元件。或壓電元件。 5*5.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 2壓電方程壓電方程 壓電材料的壓電特性常用壓電材料的壓電特性常用壓電方程壓電方程來描述：來描述： qi=dij j 或或 Q=dijF (5-1)式中，式中，q電荷的表面密度電荷的表面密度(Ccm2)； Q總電荷量（總電荷量（C）；）； 單位面積上的作用力，即應(yīng)力單位面積上的作用力，即應(yīng)力(Ncm2)， F作用力（作用力（N）；）； dij 壓電常數(shù)壓電常數(shù)(CN)，(i=1，2，3，j =1，2，3，4，5，6)。

5、6*5.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 壓電方程中壓電方程中下角標(biāo)下角標(biāo)i表示晶體的表示晶體的極化方向極化方向。當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂于當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂于x軸軸(y軸或軸或z軸軸)時(shí)，時(shí)，記為記為i=1(或或2或或3)。 下角標(biāo)下角標(biāo)j=1，2，3，4，5，6，分別表示，分別表示沿沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向的軸方向的單向應(yīng)力單向應(yīng)力和在和在垂直于垂直于x軸、軸、y軸、軸、z軸的平面軸的平面 (即即yz平面、平面、zx平面、平面、xy平面平面)內(nèi)作用的內(nèi)作用的剪切力剪切力。 單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的符號(hào)用右螺旋定則確

6、力為負(fù)；剪切力的符號(hào)用右螺旋定則確定。定。 圖圖5-2表示了它們的方向。當(dāng)電場(chǎng)方向指表示了它們的方向。當(dāng)電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。向晶軸的正向時(shí)為正，反之為負(fù)。圖圖5-2 壓電元件的坐標(biāo)系壓電元件的坐標(biāo)系表示法表示法7*石英11xxqdfxf1211yyyaaqdfdfbb yf5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理521 石英晶體石英晶體8*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 石英晶體的正交晶系：石英晶體的正交晶系： Z-Z軸軸光軸光軸，該軸方向無壓電效應(yīng)和無雙折射現(xiàn)象；，該軸方向無壓電效應(yīng)和無雙折射現(xiàn)象； X-X軸軸電軸電軸，垂直于此軸的棱面上壓電效應(yīng)

7、最強(qiáng)；，垂直于此軸的棱面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)； Y-Y軸軸機(jī)械軸機(jī)械軸，在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變，在電場(chǎng)作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯。機(jī)械軸形最明顯。機(jī)械軸Y-Y方向具有方向具有“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，而沿光，而沿光軸軸Z-Z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 通常把沿電軸通常把沿電軸X-X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為為“縱向電壓效應(yīng)縱向電壓效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸，而把沿機(jī)械軸Y-Y方向的力作用下產(chǎn)方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。9*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料

8、及其壓電機(jī)理10*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 2壓電機(jī)理壓電機(jī)理 壓電晶體的壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是由于晶格結(jié)構(gòu)在機(jī)械力的作用下發(fā)壓電晶體的壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是由于晶格結(jié)構(gòu)在機(jī)械力的作用下發(fā)生變形所引起的。生變形所引起的。 石英晶體的化學(xué)分子式為石英晶體的化學(xué)分子式為SiO2，在一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)單元，在一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)單元(晶胞晶胞)中，有中，有三個(gè)硅離子三個(gè)硅離子Si4+和六個(gè)氧離子和六個(gè)氧離子O2 ，石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效為硅、，石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效為硅、氧離子的正六邊形排列，如圖氧離子的正六邊形排列，如圖5-5所示，圖中所示，圖中“ ”代表代表Si4+ 、“ ”表示表示O2 。形成三

9、。形成三互成互成120夾角的電夾角的電偶極矩偶極矩Pl、P2和和P3圖圖5-5 石英晶體的石英晶體的壓電效應(yīng)示意圖壓電效應(yīng)示意圖電偶極矩是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量電偶極矩是電荷系統(tǒng)的極性的一種衡量.連接連接+Q和和Q兩個(gè)點(diǎn)兩個(gè)點(diǎn)電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從Q指向指向+Q的矢徑和電的矢徑和電量的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱量的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱電偶極矩電偶極矩 11*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 當(dāng)晶體當(dāng)晶體沒有外力作用沒有外力作用時(shí)，時(shí)， P1 + P2 + P3 =0，所以晶體表面，所以晶體表面沒有帶電現(xiàn)象；沒有帶電現(xiàn)象；

10、 當(dāng)晶體受到外力作用時(shí)，當(dāng)晶體受到外力作用時(shí)，P1、P2、P3在在X（或（或Y）方向凈）方向凈余電偶極矩不為零，則相應(yīng)晶面產(chǎn)生極化電荷而帶電，其余電偶極矩不為零，則相應(yīng)晶面產(chǎn)生極化電荷而帶電，其電荷面密度電荷面密度q與應(yīng)變（應(yīng)力）與應(yīng)變（應(yīng)力） 成正比，成正比，q=d 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿X軸方向的壓力軸方向的壓力( 1)作用時(shí)，作用時(shí)， (P1 + P2 + P3)x0，即，即Px 0 ，在，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷；軸的正向出現(xiàn)正電荷； (P1+ P2 + P3)y=0，在，在Y軸方向不出現(xiàn)正負(fù)電荷；軸方向不出現(xiàn)正負(fù)電荷；由于由于 P1 、 P2和和P3在在Z軸方向上的分量為零，不受外力

11、作用軸方向上的分量為零，不受外力作用的影響，所以在的影響，所以在Z軸方向上也不出現(xiàn)電荷。從而使石英晶體軸方向上也不出現(xiàn)電荷。從而使石英晶體的壓電常數(shù)為的壓電常數(shù)為d11 0 ，d21=d31=012*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 當(dāng)晶體受到沿當(dāng)晶體受到沿Y軸方向的壓力軸方向的壓力( 2)作用時(shí)，晶體沿作用時(shí)，晶體沿Y方向方向?qū)a(chǎn)生壓縮，其離子排列結(jié)構(gòu)如圖將產(chǎn)生壓縮，其離子排列結(jié)構(gòu)如圖5-5(c)所示。與圖所示。與圖5-5(b)情況相似，此時(shí)情況相似，此時(shí)P1增大，增大， P2 、 P3減小，在減小，在X軸方向出現(xiàn)電軸方向出現(xiàn)電荷，其極性與圖荷，其極性與圖5-5(b)的相反，

12、而在的相反，而在Y軸和軸和Z軸方向上則不出軸方向上則不出現(xiàn)電荷。因此，壓電常數(shù)為現(xiàn)電荷。因此，壓電常數(shù)為d12= d11 0， d22 = d32 =0 當(dāng)沿當(dāng)沿Z軸力向軸力向(即與紙面垂直方向即與紙面垂直方向)上施加上施加作用力作用力( 3)時(shí)，時(shí)，因?yàn)榫w在因?yàn)榫w在X方向和方向和Y方向產(chǎn)生的變形完全相同，所以其方向產(chǎn)生的變形完全相同，所以其正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和為零，晶體表正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和為零，晶體表面無電荷呈現(xiàn)。這表明沿面無電荷呈現(xiàn)。這表明沿Z軸方向施加作用力軸方向施加作用力( 3)，晶體不，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，其相應(yīng)的壓電常數(shù)為會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，

13、其相應(yīng)的壓電常數(shù)為d13 = d23 = d33 =013*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 當(dāng)當(dāng)切應(yīng)力切應(yīng)力 4(或或 yz)作用于晶體時(shí)產(chǎn)生切應(yīng)變，同時(shí)在作用于晶體時(shí)產(chǎn)生切應(yīng)變，同時(shí)在X方向上有伸縮應(yīng)變，故在方向上有伸縮應(yīng)變，故在X方向上有電荷出現(xiàn)而產(chǎn)生壓電方向上有電荷出現(xiàn)而產(chǎn)生壓電效應(yīng)，其相應(yīng)的壓電常數(shù)為效應(yīng)，其相應(yīng)的壓電常數(shù)為 d14 0， d24 = d34 =0 當(dāng)當(dāng)切應(yīng)力切應(yīng)力 5和和 6(或或 zx和和 xy)作用時(shí)都產(chǎn)生切應(yīng)變，這種作用時(shí)都產(chǎn)生切應(yīng)變，這種應(yīng)變改變了應(yīng)變改變了Y方向上方向上P=0的狀態(tài)。所以的狀態(tài)。所以Y方向上有電荷出方向上有電荷出現(xiàn)，存在現(xiàn)，

14、存在Y方向上的壓電效應(yīng)，其相應(yīng)的壓電常數(shù)為方向上的壓電效應(yīng)，其相應(yīng)的壓電常數(shù)為d15 =0 d25 0 d35 =0d16 =0 d26 0 d36 =0而且有而且有d25 = d14,， d26 = 2d11 。14*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 石英晶體的石英晶體的壓電常數(shù)矩陣壓電常數(shù)矩陣為為 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11141411112625141211dddddddddddij(5-9) 只有只有2個(gè)獨(dú)立常數(shù)：個(gè)獨(dú)立常數(shù)：d11=2.31pC/N；d14=0.727pC/N。 當(dāng)作

15、用力的方向相反時(shí)，很顯然，電荷的極性也隨之改變。當(dāng)作用力的方向相反時(shí)，很顯然，電荷的極性也隨之改變。如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的力時(shí)如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的力時(shí)(如液體壓力、如液體壓力、應(yīng)力等應(yīng)力等)，石英晶體始終保持電中性不變。所以，石英晶體，石英晶體始終保持電中性不變。所以，石英晶體沒沒有體積形變的壓電效應(yīng)有體積形變的壓電效應(yīng)。15*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 3主要壓電晶體主要壓電晶體 (1)石英石英。石英晶體有天然的和人工培養(yǎng)的兩種，它的壓。石英晶體有天然的和人工培養(yǎng)的兩種，它的壓電系數(shù)電系數(shù)d11的溫度變化率很小，在的溫度變化率很小，在2

16、0200范圍內(nèi)約為范圍內(nèi)約為 2.15 10 6 / 。石英晶體由于靈敏度低，介電常數(shù)小，在。石英晶體由于靈敏度低，介電常數(shù)小，在一般場(chǎng)合已逐漸為其他壓電材料所代替，但是它的高安全一般場(chǎng)合已逐漸為其他壓電材料所代替，但是它的高安全應(yīng)力和安全溫度，以及性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)等，在應(yīng)力和安全溫度，以及性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)等，在高性能和高穩(wěn)定性場(chǎng)合還是被選用。高性能和高穩(wěn)定性場(chǎng)合還是被選用。 (2)水溶性壓電晶體水溶性壓電晶體。屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉。屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H2O)，酒石酸乙烯二銨，酒石酸乙烯二銨(C4H4N2O6，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱EDT)，酒石酸二鉀，

17、酒石酸二鉀(K2C2H4O6 H2O，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱DKT)，硫酸鋰，硫酸鋰(Li2SO4H2O)。屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀。屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱KDP)，磷酸二氫氨，磷酸二氫氨(NH4H2PO4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ADP)，砷酸二氫，砷酸二氫鉀鉀(KH2AsO4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱KDA)，砷酸二氫氨，砷酸二氫氨(NH4H2AsO4，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱ADA)。2116*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 522 壓電陶瓷壓電陶瓷 1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 壓電陶瓷是人工多晶體壓電材料。壓電陶瓷在沒有極化之壓電陶瓷是人工多晶體壓電材料。壓電陶瓷在沒有極化之前不具有壓電效應(yīng)，是非壓

18、電體；壓電陶瓷經(jīng)過極化處理前不具有壓電效應(yīng)，是非壓電體；壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后后具有壓電效應(yīng)，如圖具有壓電效應(yīng)，如圖5-6所示，其電荷量所示，其電荷量Q與力與力F成正比，即成正比，即 (5-10)式中式中，d33壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)。壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)。 圖圖5-6 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)FdQ33極化面17*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 壓電陶瓷的壓電陶瓷的正交晶系正交晶系： 壓電陶瓷的壓電陶瓷的極化方向極化方向，規(guī)定為，規(guī)定為Z軸軸； 垂直于極化方向（垂直于極化方向（Z軸）的平面內(nèi)，任意選擇軸）的平面內(nèi)，任意選擇正交軸系正交軸系為為X軸和軸和Y軸。極

19、化壓電陶瓷的平面是各向同性的，因此，軸。極化壓電陶瓷的平面是各向同性的，因此，它的它的X軸和軸和Y軸是可以互易的，對(duì)于壓電常數(shù)，可用等式軸是可以互易的，對(duì)于壓電常數(shù)，可用等式d32=d31來表示。來表示。 極化壓電陶瓷受到如圖極化壓電陶瓷受到如圖5-6(b)所示的橫向均勻分布的作用所示的橫向均勻分布的作用力力F時(shí)，在極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電量時(shí)，在極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電量Q為為 (5-11)式中，式中，Sx極化面的面積；極化面的面積；Sy受力面的面積。受力面的面積。FSSdFSSdQyxyx313218*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 對(duì)于對(duì)于Z軸方向極化的

20、鈦酸鋇軸方向極化的鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷壓電陶瓷的壓電常數(shù)的壓電常數(shù)矩陣為矩陣為 (5-12) 其獨(dú)立壓電常數(shù)只有其獨(dú)立壓電常數(shù)只有d31、 d33 、 d15三個(gè)三個(gè)(d31 = d32 ，d24 = d15), d31=-79pC/N， d33=191pC/N。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 33313115153332312415dddddddddddij19*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 2壓電機(jī)理壓電機(jī)理 壓電陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化的壓電陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化的“電疇電疇”結(jié)構(gòu)，但無剩余

21、結(jié)構(gòu)，但無剩余極化，無壓電效應(yīng)極化，無壓電效應(yīng) 外電場(chǎng)外電場(chǎng)E（2030kVcm) 極化極化“電疇電疇”自發(fā)極化方向?qū)②呄蛴谕怆妶?chǎng)自發(fā)極化方向?qū)②呄蛴谕怆妶?chǎng)E的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)拆去外電場(chǎng)拆去外電場(chǎng)E 壓電陶瓷內(nèi)部出現(xiàn)剩余極化強(qiáng)度壓電陶瓷內(nèi)部出現(xiàn)剩余極化強(qiáng)度 陶瓷片陶瓷片極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷 壓電陶瓷相應(yīng)表面吸附自由電壓電陶瓷相應(yīng)表面吸附自由電荷（保持電中性）荷（保持電中性） 壓電陶瓷成為壓電材料。壓電陶瓷成為壓電材料。圖圖5-7 壓電陶瓷中的電疇壓電陶瓷中的電疇(a)未極化；未極化；(b)正在極化；正在極化；(c)極化后極化后20*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理

22、壓電材料及其壓電機(jī)理圖圖5-8 壓電陶瓷片內(nèi)的束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖壓電陶瓷片內(nèi)的束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 當(dāng)極化后的壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力當(dāng)極化后的壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力 壓電陶瓷片將產(chǎn)生變形壓電陶瓷片將產(chǎn)生變形 “電疇電疇”發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且片內(nèi)正、發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且片內(nèi)正、負(fù)束縛電荷之間距離變化負(fù)束縛電荷之間距離變化 剩余極化強(qiáng)度也變化剩余極化強(qiáng)度也變化 束縛束縛電荷變化電荷變化 表面吸附自由電荷變化（充、放電現(xiàn)象）表面吸附自由電荷變化（充、放電現(xiàn)象） 充、放電電荷的多少與外力的大小成比例，即充、放電電荷的多少與外力的大小成比例，即Q=d33

23、F 壓壓電效應(yīng)電效應(yīng)。自由電荷電極自由電荷束縛電荷21*33qdF5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理22*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 3主要陶瓷壓電材料主要陶瓷壓電材料 (1)鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷。在室溫下屬于四方晶系的壓電陶瓷。在室溫下屬于四方晶系的鐵電性壓電晶體。通常是把鐵電性壓電晶體。通常是把BaCO3和和TiO2按相等物質(zhì)的量按相等物質(zhì)的量(mol)混合成形后，在混合成形后，在1350左右的高溫下燒結(jié)而成的。燒左右的高溫下燒結(jié)而成的。燒成后，在居里點(diǎn)附近的溫度下以成后，在居里點(diǎn)附近的溫度下以2kVmm的直流電場(chǎng)中以的直流電場(chǎng)中以冷卻的

24、方式進(jìn)行極化處理。它的冷卻的方式進(jìn)行極化處理。它的特點(diǎn)特點(diǎn)是壓電系數(shù)高是壓電系數(shù)高(d33=191 10 12CN)和價(jià)格便宜。主要缺點(diǎn)是使用溫度低，和價(jià)格便宜。主要缺點(diǎn)是使用溫度低，只有只有70 左右左右。23*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 (2)鋯鈦酸鉛系鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷壓電陶瓷(PZT)。PZT是由鈦酸鉛是由鈦酸鉛(PbTiO3)和鋯酸鉛和鋯酸鉛(PhZrO3)按按47:53的摩爾分子比組成的固溶體。它的的摩爾分子比組成的固溶體。它的壓電性能大約是壓電性能大約是BaTiO3的二倍，特別是在的二倍，特別是在 55200的溫度的溫度范圍內(nèi)無晶相轉(zhuǎn)變，已成為壓電陶瓷研究的

25、主要對(duì)象范圍內(nèi)無晶相轉(zhuǎn)變，已成為壓電陶瓷研究的主要對(duì)象,其缺點(diǎn)其缺點(diǎn)是燒結(jié)過程中是燒結(jié)過程中PbO的揮發(fā)，難以獲得致密的燒結(jié)體，以及壓的揮發(fā)，難以獲得致密的燒結(jié)體，以及壓電性能依賴于鈦和鋯的組成比，難于保證性能的一致性?？穗娦阅芤蕾囉阝伜弯喌慕M成比，難于保證性能的一致性?？朔姆椒ㄊ侵脫Q原組成元素或添加微量雜質(zhì)和熱壓法等。微服的方法是置換原組成元素或添加微量雜質(zhì)和熱壓法等。微量雜質(zhì)包括鈮量雜質(zhì)包括鈮(Nb)、鑭、鑭(La)、鉍、鉍(Bi)、鎢、鎢(W)、釷、釷(Th)、銻、銻(Sb)、鉭、鉭(Ta)和鉻和鉻(Cr)、鐵、鐵(Fe)、鈷、鈷(Co)、錳、錳(Mn)兩類。添加兩類。添加前類物質(zhì)可以

26、提高壓電性能，但機(jī)械品質(zhì)因數(shù)前類物質(zhì)可以提高壓電性能，但機(jī)械品質(zhì)因數(shù)QM降低；后類降低；后類物質(zhì)可以提高物質(zhì)可以提高QM ，但添加量較多時(shí)將降低壓電性能。，但添加量較多時(shí)將降低壓電性能。PZT有良好的溫度性能，是目前采用較多的一種壓電材料。有良好的溫度性能，是目前采用較多的一種壓電材料。24*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 (3)鈮酸鹽系鈮酸鹽系壓電陶瓷。這一系中是以鐵電體鈮酸鉀壓電陶瓷。這一系中是以鐵電體鈮酸鉀(KNbO3)和鈮酸鉛和鈮酸鉛 (PbNb2O6)為基礎(chǔ)的。鈮酸鉀和鈦酸鋇十為基礎(chǔ)的。鈮酸鉀和鈦酸鋇十分相似，但所有的轉(zhuǎn)變都在較高溫度下發(fā)生，在冷卻時(shí)又發(fā)分相似，但所

27、有的轉(zhuǎn)變都在較高溫度下發(fā)生，在冷卻時(shí)又發(fā)生同樣的對(duì)稱程序：立方、四方、斜方和菱形。居里點(diǎn)為生同樣的對(duì)稱程序：立方、四方、斜方和菱形。居里點(diǎn)為 435。鈮酸鉛的特點(diǎn)是能經(jīng)受接近居里點(diǎn)。鈮酸鉛的特點(diǎn)是能經(jīng)受接近居里點(diǎn)(570)的高溫的高溫而不會(huì)去極化，有大的而不會(huì)去極化，有大的 d33d31比值和非常低的機(jī)械品質(zhì)因比值和非常低的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)數(shù)QM。鈮酸鉀特別適用于作。鈮酸鉀特別適用于作1040MHz的高頻換能器。近年的高頻換能器。近年來鈮酸鹽系壓電陶瓷在水聲傳感器方面受到重視。來鈮酸鹽系壓電陶瓷在水聲傳感器方面受到重視。25*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 壓電陶瓷具有明顯的壓電

28、陶瓷具有明顯的熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。該效應(yīng)是指：某些晶體。該效應(yīng)是指：某些晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化(壓電效應(yīng)壓電效應(yīng))之外，之外，還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。用熱釋電系數(shù)來表示該效應(yīng)的強(qiáng)弱，還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。用熱釋電系數(shù)來表示該效應(yīng)的強(qiáng)弱，它是指溫度每變化它是指溫度每變化1時(shí)，在單位質(zhì)量晶體表面時(shí)，在單位質(zhì)量晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度大小，單位為上產(chǎn)生的電荷密度大小，單位為 C(m2g)。 26*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理523 壓電材料的主要特性壓電材料的主要特性 (1)機(jī)機(jī)-電轉(zhuǎn)換性能電轉(zhuǎn)換性能：應(yīng)具有較

29、大的壓電常數(shù)：應(yīng)具有較大的壓電常數(shù)d。 (2)機(jī)械性能機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高，：壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高，剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。 (3)電性能電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特弱外部分布電容的影響和減小電荷泄漏并獲得良好的低頻特性。性。 (4)溫度和濕度穩(wěn)定性良好溫度和濕度穩(wěn)定性良好，具有較高的居里點(diǎn)，具有較高的居里點(diǎn)(在此溫度在此溫度時(shí)，壓電材料的壓電性能被破壞時(shí)，壓電材料的壓

30、電性能被破壞)，以期得到較寬的工作溫度，以期得到較寬的工作溫度范圍。范圍。 (5)時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。27*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理28*5.2 壓電材料及其壓電機(jī)理壓電材料及其壓電機(jī)理 表表5-1列出幾種常用壓電材料的主要特性參數(shù)。列出幾種常用壓電材料的主要特性參數(shù)。 壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體(單晶體單晶體)，壓電陶瓷，壓電陶瓷(多晶體多晶體)。29* 類類 別別 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石英英晶晶體體 單單晶晶體體、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d1

31、1=2.3110-12C/N， 壓壓電電系系數(shù)數(shù)穩(wěn)穩(wěn)定定，固固有有頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定 承承受受壓壓力力700-1000Kg/cm2 壓壓電電陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶體體 鈦鈦酸酸鋇鋇、鋯鋯鈦鈦酸酸鋇鋇、鈮鈮酸酸鹽鹽系系 壓壓電電系系數(shù)數(shù)高高d33=19010-11C/N 品品種種多多、性性能能各各異異 新新型型壓壓電電材材料料 壓壓電電半半導(dǎo)導(dǎo)體體 壓壓電電特特性性 半半導(dǎo)導(dǎo)體體特特性性 集集成成壓壓電電傳傳感感器器 有有機(jī)機(jī)高高分分子子 壓壓電電材材料料 質(zhì)質(zhì)輕輕柔柔軟軟、抗抗拉拉強(qiáng)強(qiáng)度度高高、 機(jī)機(jī)電電耦耦合合系系數(shù)數(shù)高高 30*5.3 壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式531 壓電

32、元件的基本變形壓電元件的基本變形 從壓電常數(shù)矩陣可以看出，對(duì)能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體從壓電常數(shù)矩陣可以看出，對(duì)能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體變形方式有以下幾種：變形方式有以下幾種： 圖圖5-9 壓電元件的受力狀態(tài)和變形方式壓電元件的受力狀態(tài)和變形方式(a)厚度變形；厚度變形；(b)長(zhǎng)度變形；長(zhǎng)度變形；(c)面剪切變形；面剪切變形；(d)厚度剪切變形；厚度剪切變形；(e)體積變形體積變形31*5.3 壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式 1厚度變形厚度變形(TE方式方式)，如圖，如圖5-9(a)所示。這種變形方式就所示。這種變形方式就是石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電是石英晶體的

33、縱向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電荷為荷為 或或 (5-13) 2長(zhǎng)度變形長(zhǎng)度變形(LE方式方式)，如圖，如圖5-9(b)所示，這是利用石英所示，這是利用石英晶體的橫向壓電效應(yīng)，表面電荷密度或電荷為晶體的橫向壓電效應(yīng)，表面電荷密度或電荷為 或或 (5-14)其中，其中，Sx，Sy分別為產(chǎn)生電荷面和受力面面積。分別為產(chǎn)生電荷面和受力面面積。 3面剪切變形面剪切變形(FS方式方式)，如圖，如圖5-9(c)所示，計(jì)算公式為所示，計(jì)算公式為 (對(duì)對(duì)X切晶片切晶片) (5-15)或或 (對(duì)對(duì)Y切晶片切晶片) (5-16)yzxdq14xyydq25xxdq11xxFdQ11yxdq12yxyxSS

34、FdQ1232*5.3 壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式 4厚度剪切變形厚度剪切變形(TS方式方式)，如圖，如圖5-9(d)所示，計(jì)算公式為所示，計(jì)算公式為 (對(duì)對(duì)Y切晶片切晶片) (5-17) 5彎曲變形彎曲變形(BS方式方式)，它不是基本變形方式，而是拉、，它不是基本變形方式，而是拉、壓、切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的壓壓、切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)。電常數(shù)。 6 體積變形體積變形 (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱VE方式方式)，對(duì)于，對(duì)于BaTiO3壓電陶瓷，除長(zhǎng)壓電陶瓷，除長(zhǎng)度變形方式度變形方式(用用d31)、厚度變形方式、厚度變形方式(用用d33)和面剪

35、切變形方式和面剪切變形方式(用用d15)以外，還有體積變形方式以外，還有體積變形方式(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱VE)可以利用，如圖可以利用，如圖5-9(e)所示。這時(shí)產(chǎn)生的表面電荷密度按下式計(jì)算所示。這時(shí)產(chǎn)生的表面電荷密度按下式計(jì)算 (5-18)由于此時(shí)由于此時(shí) x= y= z= ，同時(shí)對(duì)，同時(shí)對(duì)BaTiO3壓電陶瓷有壓電陶瓷有d31=d32，則，則 (5-19) 式中，式中，dV=2d31 + d33為體積壓縮的壓電常數(shù)。這種變形方為體積壓縮的壓電常數(shù)。這種變形方式可以用來進(jìn)行液體或氣體壓力的測(cè)量。式可以用來進(jìn)行液體或氣體壓力的測(cè)量。xyydq26zyxzdddq333231Vzdddq)2(333133*

36、5.3 壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式532 壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式 壓電元件一般采用兩片或兩片以上壓電片組合使用。由于壓電元件一般采用兩片或兩片以上壓電片組合使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯(lián)并聯(lián)連接和連接和串串聯(lián)聯(lián)連接，如圖連接，如圖5-10所示。所示。圖圖5-10 疊式壓電片的并聯(lián)和串聯(lián)疊式壓電片的并聯(lián)和串聯(lián)(a)并聯(lián)接法；并聯(lián)接法；(b)串聯(lián)接法串聯(lián)接法34*5.3 壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式壓電式元件的結(jié)構(gòu)形式 并聯(lián)（圖并聯(lián)（圖5-10(a)）：）： 串聯(lián)（圖串聯(lián)（圖5-10(b)）：）：式中，式中，C、U

37、、Q單片壓電片的輸出電容、輸出電壓和極板單片壓電片的輸出電容、輸出電壓和極板上的總電荷量；上的總電荷量； 在這兩種接法中，在這兩種接法中，并聯(lián)接法并聯(lián)接法輸出電荷量大、電容大、時(shí)間輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢信號(hào)并且以常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢信號(hào)并且以電荷電荷作為輸出量的情作為輸出量的情況；況；串聯(lián)接法串聯(lián)接法輸出電壓大、電容小，適宜用于以輸出電壓大、電容小，適宜用于以電壓電壓作為作為輸出信號(hào)、并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況。輸出信號(hào)、并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況。 2 2QQUUCC并并并， 2 2/QQUUCC串串串，35*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器

38、的信號(hào)調(diào)理電路541 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 壓電式傳感器可以看作一個(gè)壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器，同時(shí)，它也是一，同時(shí)，它也是一個(gè)個(gè)電容器電容器，如圖，如圖5-12所示，其電容量為所示，其電容量為 (5-21)式中，式中，S壓電片極板面積；壓電片極板面積；h壓電片厚度；壓電片厚度； r壓電材料壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；的相對(duì)介電常數(shù)； 0空氣介電常數(shù)，空氣介電常數(shù)， 08. 8510 12F/m。 兩極板間開路電壓為兩極板間開路電壓為 (5-22)hShSCra0aC/QU 銀電極壓電材料圖圖5-12 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路36*5.4

39、壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 壓電式傳感器可以等效為一個(gè)與電容并聯(lián)的壓電式傳感器可以等效為一個(gè)與電容并聯(lián)的電荷源電荷源(圖圖5-12(c)所示；或等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的所示；或等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源電壓源(圖圖5-12(d)。 壓電式傳感器在測(cè)量時(shí)要與測(cè)量電路相連接，所以實(shí)際傳壓電式傳感器在測(cè)量時(shí)要與測(cè)量電路相連接，所以實(shí)際傳感器需考慮連接電纜電容感器需考慮連接電纜電容Cc、放大器輸入電阻、放大器輸入電阻Ri和輸入電容和輸入電容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。因此壓電傳感器的。因此壓電傳感器的實(shí)實(shí)際等效電路際等效電路如圖如圖5-1

40、3(a)、(b)所示。所示。圖圖5- 13 壓電式傳感器輸入端等效電路壓電式傳感器輸入端等效電路(a)電壓源；電壓源；(b)電荷源電荷源 37*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 壓電式傳感器的壓電式傳感器的靈敏度靈敏度： 電壓靈敏度電壓靈敏度Ku=UaF，它表示單位力所產(chǎn)生的，它表示單位力所產(chǎn)生的電壓；電壓； 電荷靈敏度電荷靈敏度Kq=QF，它表示單位力所產(chǎn)生的，它表示單位力所產(chǎn)生的電荷。電荷。 它們之間的關(guān)系是它們之間的關(guān)系是 (5-23)aquC/KK 38*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路542 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感

41、器的信號(hào)調(diào)理電路 壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高(Ra1010)，而輸出的能，而輸出的能量信號(hào)又非常微弱，因此它的信號(hào)調(diào)理電路通常需要一個(gè)高量信號(hào)又非常微弱，因此它的信號(hào)調(diào)理電路通常需要一個(gè)高輸入阻抗的輸入阻抗的前置放大器前置放大器， 前置放大器的前置放大器的作用作用：一是：一是阻抗變換阻抗變換（把壓電式傳感器的（把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗）；二是高輸出阻抗變換成低輸出阻抗）；二是放大放大壓電式傳感壓電式傳感器輸出的微弱信號(hào)。器輸出的微弱信號(hào)。 前置放大器的前置放大器的形式形式：一種是：一種是電壓放大器電壓放大器，它的輸出電壓，它的輸出電壓與輸入電壓與輸入

42、電壓(傳感器的輸出電壓傳感器的輸出電壓)成正比；成正比；種是種是電荷放大電荷放大器器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。39*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 1.電壓放大器電壓放大器 圖圖5-14是壓電式傳感器的電壓放大器電路及其等效電路。是壓電式傳感器的電壓放大器電路及其等效電路。圖圖5-14 電壓放大器電路及其等效電路電壓放大器電路及其等效電路(a)等效電路原理圖；等效電路原理圖；(b)簡(jiǎn)化電路簡(jiǎn)化電路 在圖在圖5-14(b)中，等效電阻中，等效電阻R為為 (5-24)等效電容等效電容C為為 (5-25)RR/(RRRi

43、aiaicCCC40*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 如果壓電元件受到交變正弦力如果壓電元件受到交變正弦力 的作用，則在壓的作用，則在壓電陶瓷元件上產(chǎn)生的電壓值為電陶瓷元件上產(chǎn)生的電壓值為 (5-26)式中，式中，Um壓電元件輸出電壓的幅值，壓電元件輸出電壓的幅值， 由圖由圖5-14(b)可見，送入放大器輸入端的電壓為可見，送入放大器輸入端的電壓為ui，把它寫，把它寫成復(fù)數(shù)形式，則得到成復(fù)數(shù)形式，則得到 (5-27)tsinFFmtUtCFdCQUmamaasinsin33)CC(RjRjFdUai133ammC/FdU3341*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路

44、壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 從式從式(5-27)可得前置放大器輸入電壓可得前置放大器輸入電壓ui的幅值的幅值Uim為為 (5-28)輸入電壓輸入電壓Ui與作用力之間的與作用力之間的相位差相位差 為為(5-29)傳感器的傳感器的電壓靈敏度電壓靈敏度為為 (5-30)22331)CCC()R(RFdUicamimR)CCC(arctanica222331)CCC()R(RdFUKicamimu42*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 理想情況理想情況下，傳感器的絕緣電阻下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器的輸入電和前置放大器的輸入電阻阻Ri都為無限大，也就是電荷沒有泄漏；

45、或工作頻率都為無限大，也就是電荷沒有泄漏；或工作頻率 當(dāng)當(dāng)R(Ca+Cc+Ci) 1時(shí)，前置放大器輸入電壓時(shí)，前置放大器輸入電壓(即傳感器的開即傳感器的開路電壓路電壓)幅值幅值 (5-31)它與實(shí)際輸入電壓幅值它與實(shí)際輸入電壓幅值Uim之幅值比為之幅值比為 (5-32) 這時(shí)傳感器的這時(shí)傳感器的電壓靈敏度電壓靈敏度為為 (5-33)icamamCCCFdU33 22)()(1)(icaicaamimCCCRCCCRUUKicamamuCCCdFUK3343*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 測(cè)量電路的測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 令令 n=1/=1/R(Ca+Cc+C

46、i)，則式，則式(5-32)和式和式(5-29)可分別可分別與成如下形式：與成如下形式： (5-34) (5-35) 由此得到電壓幅值比和相角由此得到電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線，如圖與頻率比的關(guān)系曲線，如圖5-15所示，所示，)CCC(Rica 2)/(1/nnamimUUK)/arctan(n2圖圖5-15 電壓幅值比和相角電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線與頻率比的關(guān)系曲線44*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 討論：討論： =0時(shí)，時(shí)，Ui=0，壓電傳感器，壓電傳感器不能測(cè)靜態(tài)量不能測(cè)靜態(tài)量。 高頻響應(yīng)，當(dāng)高頻響應(yīng)，當(dāng) / n1，即，即1，一般當(dāng)，一般

47、當(dāng) / n 3時(shí)，時(shí)，Uim=Uam可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)K( ) 1，這說明壓電式傳感器的這說明壓電式傳感器的高頻響應(yīng)相當(dāng)好高頻響應(yīng)相當(dāng)好。 低頻響應(yīng)，如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量低頻響應(yīng)，如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量( 小小)，而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù) 又不大，則造成傳感器靈敏度又不大，則造成傳感器靈敏度K( )下降，產(chǎn)生低頻動(dòng)態(tài)誤差下降，產(chǎn)生低頻動(dòng)態(tài)誤差112nn壓電式傳感器的壓電式傳感器的 3dB截止頻率下限為截止頻率下限為(取取 )CCC(RficaL21 21K (5-36) 一般一般情況下fL1Hz，低頻響

48、應(yīng)也不錯(cuò)低頻響應(yīng)也不錯(cuò)。)CC(RjRjFdUai13345* 2)/(1/nnamimUUK5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 壓電式傳感器一般都采用專門的前置放大器。壓電式傳感器一般都采用專門的前置放大器。圖圖5-16所示所示為一種為一種電壓前置放大器電壓前置放大器(阻抗變換器阻抗變換器) 。圖圖5- 16 阻抗變換器電路圖阻抗變換器電路圖圖圖5-17 內(nèi)置超小型阻抗變換器的內(nèi)置超小型阻抗變換器的一體化壓電式加速度傳感器一體化壓電式加速度傳感器 為了解決電纜電容為了解決電纜電容Cc的的問題，問題，將將前置前置放大器裝入傳感器放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器，

49、如圖之中，組成一體化傳感器，如圖5-17所示。所示。46*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 2電荷放大器電荷放大器 高內(nèi)阻高內(nèi)阻(10101012)的電荷源的電荷源 低內(nèi)阻低內(nèi)阻( 100)的電壓源的電壓源 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器實(shí)際上是一種具有電荷放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋深度電容負(fù)反饋的的高增益高增益放放大器，其等效電路如圖大器，其等效電路如圖5-18所示。所示。圖圖5-18 電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路 放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓 (5-37)式中，式中，Uo放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； 反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓

50、。fcCQuUf/0fCu47*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容（而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容（Cc）等均無關(guān)，）等均無關(guān)，因此，只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可以得到與電荷量因此，只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可以得到與電荷量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。還可以看出，反饋電容變化成線性關(guān)系的輸出電壓。還可以看出，反饋電容Cf小，輸出就大，因此要達(dá)到小，輸出就大，因此要達(dá)到定的輸出靈敏度要求，必須選定的輸出靈敏度要求，必須選

51、擇適當(dāng)容量的反饋電容。擇適當(dāng)容量的反饋電容。 輸出電壓與電纜電容無關(guān)是有一定輸出電壓與電纜電容無關(guān)是有一定條件條件的。圖的。圖5-19是壓電是壓電式傳感器與電荷放大器連接的式傳感器與電荷放大器連接的等效電路等效電路(視壓電元件泄漏電阻視壓電元件泄漏電阻Ra和放大器輸入電阻和放大器輸入電阻Ri很大，很大，已略去其電路作用已略去其電路作用) 圖圖5-19 壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路壓電式傳感器與電荷放大器連接的等效電路48*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路 由由 “虛地虛地”原理可知，反饋電容原理可知，反饋電容Cf折合到放大器輸入端的有折合到放大器輸入端的有

52、效電容效電容C f為為 設(shè)放大器輸入電容為設(shè)放大器輸入電容為Ci，傳感器內(nèi)部電容為，傳感器內(nèi)部電容為Ca，電纜電容，電纜電容為為Cc，則放大器的輸出電壓為，則放大器的輸出電壓為 (5-38) 當(dāng)當(dāng)(1+A)Cf (Ca + Cc + Ci)時(shí)，放大器輸出電壓為時(shí)，放大器輸出電壓為 (5-39) 當(dāng)當(dāng)(1+A)Cf 10(Ca + Cc + Ci)時(shí)，傳感器的輸出靈敏度就可時(shí)，傳感器的輸出靈敏度就可以認(rèn)為與電纜電容無關(guān)了。這是使用電荷放大器的最突出以認(rèn)為與電纜電容無關(guān)了。這是使用電荷放大器的最突出的的個(gè)優(yōu)點(diǎn)。個(gè)優(yōu)點(diǎn)。ffCAC)1 (ficaC)A(CCCAQU10fCQU/049*5.4 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)