第七章 壓電式傳感器

1、 第第7 7章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 7.l 7.l 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 7.1.1 7.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 7.1.2 7.1.2 壓電效應(yīng)的物理解釋壓電效應(yīng)的物理解釋 7.2 7.2 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式 7.3 7.3 壓電元件的等效電路及測(cè)量電路壓電元件的等效電路及測(cè)量電路 7.3.1 7.3.1 等效電路等效電路 7.3.2 7.3.2 測(cè)量電路測(cè)量電路 7.4 7.4 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 7.4.1 7.4.1 工作原理及特性工作原理及特性 7.4.2 7.4.2 壓電加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)壓電加速度傳感器

2、的典型結(jié)構(gòu) 7.4.3 7.4.3 壓電式加速度傳感器的應(yīng)用壓電式加速度傳感器的應(yīng)用 7.5 7.5 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 7.5.1 7.5.1 壓電式壓力傳感器的原理及結(jié)構(gòu)壓電式壓力傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 7.5.2 7.5.2 壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電秤重浮游計(jì)壓電加速度計(jì)壓電加速度計(jì)壓電警號(hào)壓電警號(hào) 7.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)（晶體）某些電介質(zhì)（晶體） 當(dāng)沿著一定方向施加力變形當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，

3、同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)；不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后，電荷的當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變；極性也隨之改變；v 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 v 壓電效應(yīng)是可逆的壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。 所以壓電元件可以將機(jī)械能所以壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

4、 7.1 7.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 7.1.17.1.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)：某些電介質(zhì), , 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃萎?dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)時(shí), , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）, , 同時(shí)在同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷, , 當(dāng)外力去掉后當(dāng)外力去掉后, , 其又重新恢其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時(shí)當(dāng)作用力方向改變時(shí), , 電荷的極性

5、也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)）：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向極化方向施加電場(chǎng)施加電場(chǎng), , 這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形。可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形。可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 具有壓電效應(yīng)的材料稱為具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料壓電材料, , 壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的電能量的相互轉(zhuǎn)換。相互轉(zhuǎn)換。 1 1 石英晶體石英晶體 自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，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。現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。 壓電

6、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。外形結(jié)構(gòu) 壓壓電電晶晶片片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶 1.1.石英晶體石英晶體 石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)。石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)。 構(gòu)成：它是一個(gè)正六面體，有構(gòu)成：它是一個(gè)正六面體，有右旋右旋和和左旋左旋晶體之分，晶體之分，外形互為鏡像對(duì)稱。外形互為鏡像對(duì)稱。 石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。在直角坐標(biāo)系中，它有三個(gè)軸。在直角坐標(biāo)系中，它有三個(gè)軸。 電軸（電軸（X X軸）軸）：垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)。：垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)。 機(jī)械軸（機(jī)械軸（Y Y軸）

7、軸）：在電場(chǎng)沿：在電場(chǎng)沿X X向作用下，沿該軸方向作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最大。向的機(jī)械變形最大。 光軸（光軸（Z Z軸）軸）：垂直于：垂直于XYXY。光線沿該軸通過石英晶。光線沿該軸通過石英晶體時(shí)，無折射，在此方向加外力，無壓電效應(yīng)現(xiàn)象體時(shí)，無折射，在此方向加外力，無壓電效應(yīng)現(xiàn)象 ?！翱v向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”: :通常把沿電軸通常把沿電軸x x 方向的力作用下方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”, ,; ;“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”: :沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸y y 方向的作用下產(chǎn)生電荷方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為的壓電效應(yīng)稱為“橫向

8、壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。 沿光軸沿光軸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)。 從晶體上沿軸線切下的一片平行六面體稱為壓電晶體切片，如圖所示。從晶體上沿軸線切下的一片平行六面體稱為壓電晶體切片，如圖所示。當(dāng)晶片在沿當(dāng)晶片在沿X X軸軸( (電軸電軸) )的方向上受到壓縮應(yīng)力的方向上受到壓縮應(yīng)力s sxxxx的作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚的作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度P Pxxxx與應(yīng)力與應(yīng)力F Fxxxx 成正比，即成正比，即 極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度P Pxxxx，等于晶片表面的電荷密

9、度，等于晶片表面的電荷密度， 即即 把把P Pxxxx值代入得值代入得 由式看出，當(dāng)晶片受到由式看出，當(dāng)晶片受到X X向的壓力作用時(shí)，向的壓力作用時(shí)，q qxxxx與作用力與作用力F Fx x成正比，而成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。與晶片的幾何尺寸無關(guān)。 lbFddPxxxxx1111lbqPxxxxxxxFdq11 石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如圖所示石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如圖所示在在X軸軸（電軸）（電軸）方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；軸正向帶正電；如果作用力如果作用力Fx改為拉力時(shí)，則電荷仍出現(xiàn)在在垂直于改為拉力時(shí)，則電荷仍

10、出現(xiàn)在在垂直于X軸的平面上，但軸的平面上，但極性相極性相反，如圖反，如圖（a）、（）、（b）。）。在同一晶片上作用力是沿著在同一晶片上作用力是沿著Y軸（機(jī)械軸）的方向，其電荷仍在與軸（機(jī)械軸）的方向，其電荷仍在與 X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（）、（d），此時(shí)電荷的大小為，此時(shí)電荷的大小為 X Fy Fy Fx Fx X X X （a） （b） （d） （c）yxyFbhlbdq12 根據(jù)石英晶體軸的對(duì)稱條件根據(jù)石英晶體軸的對(duì)稱條件負(fù)號(hào)：表示沿負(fù)號(hào)：表示沿Y軸（軸（機(jī)械軸）機(jī)械軸）的壓縮力產(chǎn)生的電的壓縮力產(chǎn)生的電荷與沿荷與沿X軸軸（電軸）（電軸）施施加的壓

11、縮力所產(chǎn)生的電荷極性加的壓縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。相反。 由式可見，沿由式可見，沿機(jī)械軸機(jī)械軸方向?qū)┘幼饔昧r(shí)，產(chǎn)方向?qū)┘幼饔昧r(shí)，產(chǎn)生的電荷量是與晶片的幾何尺寸有關(guān)的。生的電荷量是與晶片的幾何尺寸有關(guān)的。1112ddyxyFhldq11 2 2、壓電陶瓷、壓電陶瓷 未加電場(chǎng)未加電場(chǎng) 壓電陶瓷是人工制造的壓電陶瓷是人工制造的多晶體多晶體壓電材料。在無外電場(chǎng)作用時(shí)壓電材料。在無外電場(chǎng)作用時(shí), , 電疇電疇在晶體中雜亂分布在晶體中雜亂分布, , 它們的極化效應(yīng)被相互抵消它們的極化效應(yīng)被相互抵消, , 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。為零。 因此，原始的壓電陶瓷呈中性因此，原

12、始的壓電陶瓷呈中性, , 不具有壓電性質(zhì)。不具有壓電性質(zhì)。 加電場(chǎng)加電場(chǎng)電疇方向發(fā)生電疇方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng), , 趨向于趨向于按外電場(chǎng)方向排列按外電場(chǎng)方向排列, , 從而使材料得到從而使材料得到極化。極化。 外電場(chǎng)愈強(qiáng)外電場(chǎng)愈強(qiáng), , 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。若外電場(chǎng)強(qiáng)度大到，使材料的若外電場(chǎng)強(qiáng)度大到，使材料的極化達(dá)到飽和程度極化達(dá)到飽和程度, , 即所有電疇極化方即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致。當(dāng)外電場(chǎng)去掉后向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致。當(dāng)外電場(chǎng)去掉后, , 電疇的極化方向基電疇的極化方向基本不變本不變, , 這時(shí)的材料具有壓電特性

13、。這時(shí)的材料具有壓電特性。 壓電陶瓷在極化面上受到垂直于它的均勻分布的作用力時(shí)（亦即作壓電陶瓷在極化面上受到垂直于它的均勻分布的作用力時(shí)（亦即作用力沿極化方向），則在用力沿極化方向），則在這兩個(gè)鍍銀極化面這兩個(gè)鍍銀極化面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。其上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。其電荷量電荷量q q與力與力F F成正比，比例系數(shù)為成正比，比例系數(shù)為 d d3333，亦即，亦即 式中式中d d3333壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。 在壓電陶瓷中，通常把它的極化方向定為在壓電陶瓷中，通常把它的極化方向定為Z Z軸（下標(biāo)軸（下標(biāo)3 3），這是它的），這是它的對(duì)稱軸，在垂直于對(duì)稱軸，在垂直于Z Z

14、軸的平面上，任意選擇的正交軸為軸的平面上，任意選擇的正交軸為X X軸和軸和Y Y軸。軸。Fdq33 極化壓電陶瓷的平面是各向同性的。極化壓電陶瓷的平面是各向同性的。 即：壓電常數(shù)可用等式即：壓電常數(shù)可用等式d32=d31表示。它表明平行于極化軸（表示。它表明平行于極化軸（Z軸）軸）的電場(chǎng)，與沿著的電場(chǎng)，與沿著Y軸（下標(biāo)軸（下標(biāo)2）或）或X軸（下標(biāo)）的軸向應(yīng)力的作用軸（下標(biāo)）的軸向應(yīng)力的作用關(guān)系是相同的。關(guān)系是相同的。極化壓電陶瓷受到均勻分布的作用力極化壓電陶瓷受到均勻分布的作用力F時(shí)，在鍍銀的極化面上，時(shí)，在鍍銀的極化面上，分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷q。 式中式中 Ax極化面的面積；

15、極化面的面積；Ay受力面的面積。受力面的面積。 yxyxAFAdAFAdq3132 極 化 面 F F F F (a ) (b ) 7.1.27.1.2壓電效應(yīng)的物理解釋壓電效應(yīng)的物理解釋石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體的壓電特性與其內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。其化學(xué)式為其化學(xué)式為 SiO SiO2 2。在一個(gè)晶體單元中有三個(gè)硅離。在一個(gè)晶體單元中有三個(gè)硅離子子 Si Si4+4+和六個(gè)氧離子和六個(gè)氧離子 O O2-2-，后者是成對(duì)的。所以一，后者是成對(duì)的。所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。 （1）未受外力作用時(shí)）未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正

16、六邊形的正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上頂角上, 形成三個(gè)互成形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P1、 P2、P3。 如圖如圖 a所示。所示。P1+ P2+P3=0。正負(fù)電荷中心重合，呈中性。正負(fù)電荷中心重合，呈中性。 （2 2）受）受x x軸方向的壓力作用時(shí)軸方向的壓力作用時(shí), , 晶體沿晶體沿x x方向?qū)a(chǎn)生壓縮方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形變形, , 正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖 （b b）所示）所示, , 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合, , 電偶極矩在電偶極矩在x x方向上的分量由于方向上的分量由于P P1 1的減小和的減

17、小和P P2 2、P P3 3的增加而不等于零的增加而不等于零, , 即（即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3） 0 0 。 在在x x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷, , 電偶極矩在電偶極矩在y y方向上的分量仍為方向上的分量仍為零零, , 不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。 （3）受到沿）受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)軸方向的壓力作用時(shí), 晶體的變形如圖（晶體的變形如圖（c）所示，）所示， P1增大增大, P2、P3 減小。減小。 在垂直于在垂直于x軸正方向出現(xiàn)正電荷軸正方向出現(xiàn)正電荷, 在在y軸方向上軸方向上不出現(xiàn)電荷。不出現(xiàn)電荷。如果沿如果沿Z軸方向（即與紙面垂直的方向）上施加作用

18、力，軸方向（即與紙面垂直的方向）上施加作用力，因?yàn)榫w在因?yàn)榫w在X軸方向和軸方向和Y軸方向的變形完全相同，所以，正負(fù)電荷中心軸方向的變形完全相同，所以，正負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明沿保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明沿Z軸（即光軸）方向加軸（即光軸）方向加作用力，晶體作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。如果對(duì)石英晶體的各個(gè)方向同時(shí)施加相等的作用力時(shí)（如液體的壓力，熱應(yīng)力等）相等的作用力時(shí)（如液體的壓力，熱應(yīng)力等）,石英晶體也就保持中性石英晶體也就保持中性不變，所以石英晶體沒有由于體積變形的壓電效應(yīng)。不變，所以石英晶體沒

19、有由于體積變形的壓電效應(yīng)。 7.27.2壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式1 1、并聯(lián)方式、并聯(lián)方式 特點(diǎn)：輸出電荷大，適合測(cè)慢速信號(hào)，以電荷為輸出的場(chǎng)合。特點(diǎn)：輸出電荷大，適合測(cè)慢速信號(hào)，以電荷為輸出的場(chǎng)合。nqqUUnCC 2 2、串聯(lián)方式、串聯(lián)方式特點(diǎn)：輸出電壓大，適合以電壓為輸出，高輸入阻抗的場(chǎng)合特點(diǎn)：輸出電壓大，適合以電壓為輸出，高輸入阻抗的場(chǎng)合qqnUUnCC 7.37.3壓電元件的壓電元件的等效電路與測(cè)量電路等效電路與測(cè)量電路 7.3.17.3.1等效電路等效電路 壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械力的作用時(shí)，在它的兩壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械力的作用時(shí)，在它的

20、兩個(gè)極板面上出現(xiàn)極性相反，但電量相等的電荷。顯然可以把壓電傳個(gè)極板面上出現(xiàn)極性相反，但電量相等的電荷。顯然可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器。感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器。 因此，可以把它視為一個(gè)極板上聚集正電荷，一個(gè)極板上聚集因此，可以把它視為一個(gè)極板上聚集正電荷，一個(gè)極板上聚集負(fù)電荷，中間為絕緣體的電容，其電容量為負(fù)電荷，中間為絕緣體的電容，其電容量為 當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板就呈現(xiàn)出一定的電壓，其當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為大小為hAhAC0raaaCqU 壓電晶體 電極 q q Ca u 壓電傳感器可以等效為一個(gè)壓電傳感器可以等效為一個(gè)電荷源電荷源與一

21、個(gè)與一個(gè)電容電容并聯(lián)。并聯(lián)。 壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。 由等效電路可知，傳感器內(nèi)部電荷無由等效電路可知，傳感器內(nèi)部電荷無“漏損漏損”，外電路負(fù)載無窮大，外電路負(fù)載無窮大時(shí)，壓電傳感器受力后的電壓或電荷才能長期保存下來，否則電路將以時(shí)，壓電傳感器受力后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)律放電某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定、低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來誤差。利，必然帶來誤差。 事實(shí)上，傳感器內(nèi)部事實(shí)上，傳感器內(nèi)部存在存在泄漏，負(fù)載也不可能無窮大，只有外力

22、以較泄漏，負(fù)載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充高頻率作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。從這個(gè)意義上講，從這個(gè)意義上講，壓電晶體壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量不適合于靜態(tài)測(cè)量。CaCa U QU = Q / CaQ = U Ca（ a ）（ b ） 壓電式傳感器的靈敏度表示方式方法：壓電式傳感器的靈敏度表示方式方法： 電壓靈敏度電壓靈敏度K Ku u：表示為單位力的電壓。表示為單位力的電壓。 電荷靈敏度電荷靈敏度K Kq q：表示為單位力的的電荷。表示為單位力的的電荷。 它們之間可以通過壓電元件（或傳感器）的電容它們之間可以通過壓電元件（或傳感器）的電容C Ca a聯(lián)系起

23、來，即聯(lián)系起來，即aquCKKauqCKK 7.3.27.3.2測(cè)量電路測(cè)量電路 壓電傳感器的內(nèi)壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高阻抗很高，而輸出的，而輸出的信號(hào)微弱信號(hào)微弱，因此一般不，因此一般不能直接顯示和記錄。能直接顯示和記錄。 測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器輸出接前置放大器，前置放大器作用：測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器輸出接前置放大器，前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào) 二是把它的高輸入阻抗變換為低輸出阻抗二是把它的高輸入阻抗變換為低輸出阻抗根據(jù)壓電元件的工作原理，前置放大器有兩種形式：根據(jù)壓電元件的工作原理，前置放大器有兩種形式： 電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入

24、電壓（壓電元件的輸出電壓），其輸出電壓與輸入電壓（壓電元件的輸出電壓）成正比，成正比， 電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1.電壓放大器電壓放大器 電壓放大器的等效電路如圖所示，其中等效電阻電壓放大器的等效電路如圖所示，其中等效電阻R為為 等效電容等效電容 C分別為分別為如果壓電元件受到交變力的作用，如果壓電元件受到交變力的作用，f為為式中式中Fm作用力的幅值。作用力的幅值。iaiaRRRRRaicCCCCaaCqutFfsinm q Ca Ra Cc R i C i A Ca C R A Ua(a)(b) 若壓電元件為壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為若壓

25、電元件為壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33，則在外力作用下，壓，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓，按正弦規(guī)律變化，即電元件產(chǎn)生的電壓，按正弦規(guī)律變化，即 或或式中式中Um電壓幅值，電壓幅值， 若將放大器輸入端的電壓若將放大器輸入端的電壓ui寫成復(fù)數(shù)形式，則可得寫成復(fù)數(shù)形式，則可得tCFdusinam33atUuasinmam33mCFdU)(j1jcai33iCCCRRfdU q Ca Ra Cc R i C i A Ca C R A Ua( a )( b ) 的幅值的幅值 為為 可得輸入電壓與作用力之間的相位可得輸入電壓與作用力之間的相位f f為為令令為測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，令為測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，令

26、，則式，則式 若作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力，即若作用在壓電元件上的力為靜態(tài)力，即 0，前置放大器的輸，前置放大器的輸出出Uim為零。為零。 因?yàn)殡姾删蜁?huì)通過電荷放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電因?yàn)殡姾删蜁?huì)通過電荷放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。這也就決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。阻漏掉。這也就決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。 iUimU2ica22m33im)(1CCCRRFdURCCC)(arctg2icafRCCC)(ica1020m33im1RFdU0arctg2f 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，則放大器輸入端的電壓幅值為時(shí)，則放大器輸入端的電壓幅值為 在實(shí)際應(yīng)用中在實(shí)際應(yīng)用

27、中，認(rèn)為認(rèn)為 / 0 1（即（即 1 ）,即：即：作用力作用力的變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于的變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)，時(shí)，前置放大器的輸前置放大器的輸入電壓入電壓Uim與頻率無關(guān)與頻率無關(guān)。 當(dāng)當(dāng) / 03，可以近似地看作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。，可以近似地看作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。 這說明在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，這說明在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器的高頻壓電式傳感器的高頻響應(yīng)很好響應(yīng)很好，這是壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一。，這是壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一。icam33imCCCFdU 根據(jù)電壓靈敏度的定義，根據(jù)電壓靈敏度的定義， / 0 1（即（即

28、 1 ）時(shí)壓電傳）時(shí)壓電傳感器的電壓靈敏度為感器的電壓靈敏度為 此式表明此式表明： 要提高時(shí)間常數(shù)要提高時(shí)間常數(shù) ，不能增加回路電容。增加回路電容使得壓電傳，不能增加回路電容。增加回路電容使得壓電傳感器的靈敏度降低。感器的靈敏度降低。電纜電容電纜電容Cc及放大器輸入電容及放大器輸入電容Ci的存在使電壓靈敏度減小。如果的存在使電壓靈敏度減小。如果更換電纜，電纜電容更換電纜，電纜電容Cc發(fā)生變化，靈敏度也隨之變化。因此，發(fā)生變化，靈敏度也隨之變化。因此，更換更換或改變電纜時(shí)，務(wù)必對(duì)靈敏度進(jìn)行校正。否則由于電纜電容或改變電纜時(shí)，務(wù)必對(duì)靈敏度進(jìn)行校正。否則由于電纜電容Cc改變，改變，將會(huì)引入測(cè)量誤差。

29、將會(huì)引入測(cè)量誤差。要提高時(shí)間常數(shù)要提高時(shí)間常數(shù) ，不能增大回路電容，常常是靠增大輸入阻抗，不能增大回路電容，常常是靠增大輸入阻抗Ri，來提高時(shí)來提高時(shí)間常數(shù)。間常數(shù)。ica33200m33mimu)/(1CCCdFRFdFUKm 2.電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是壓電傳感器的專用前置放大器，實(shí)際上是一個(gè)具電荷放大器是壓電傳感器的專用前置放大器，實(shí)際上是一個(gè)具有有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。它能將。它能將高內(nèi)阻的電荷源高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源低內(nèi)阻的電壓源，而且，而且輸出電壓正比與輸入電荷輸出電壓正比與輸入電荷，因此電荷放大器，因此電荷放大器同樣

30、也起著同樣也起著阻抗變換阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)的作用，其輸入阻抗高達(dá)10101012，而輸，而輸出阻抗小于出阻抗小于100。 若放大器的開環(huán)增益足夠高，則運(yùn)算放大器的輸入端的電位接若放大器的開環(huán)增益足夠高，則運(yùn)算放大器的輸入端的電位接近近“地地”電位。放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷電位。放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷q只對(duì)反饋電容只對(duì)反饋電容Cf充電，充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓，即，即fcfscCquU q Ca Cc gc Ci gf A Rf CfUscUsc AUa Ca Cc gc Ci gf Ui(a)(b) q Ca Cc gc

31、Ci gf A Rf CfUscUsc AUa Ca Cc gc Ci gf Ui(a)(b)用圖（用圖（b）的）的電壓源電壓源代（代（a）的）的電荷源電荷源。用節(jié)點(diǎn)電壓法分析圖。用節(jié)點(diǎn)電壓法分析圖(b),有：有：)j)()(j)(j )(ffsciiciciaiaCgUUCCggUCUU而而 ，代入可得，代入可得AUUsci)(j)1)(j(jciaciffaascCCCggACgAUCU )(j)1)(j(jciaciffaascCCCggACgAUCU 理想條件下，工作頻率足夠高，各導(dǎo)納遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電導(dǎo)時(shí)，即理想條件下，工作頻率足夠高，各導(dǎo)納遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電導(dǎo)時(shí)，即gi 0、gc0、gf0。cia

32、fsc)1 (CCCACAqU 且放大器的增益且放大器的增益A足夠大時(shí)，足夠大時(shí)，（1+A）Cf（Ca+Ci+Cc） ， 上式表明，上式表明，輸出電輸出電壓壓Usc正比于輸入電荷正比于輸入電荷q，它的比例系數(shù)為，它的比例系數(shù)為1/Cf，與工作頻率無關(guān)。與工作頻率無關(guān)。 電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)電荷放大器的優(yōu)點(diǎn)： 壓電元件本身電容大小壓電元件本身電容大小、電纜長短不影響電荷放大器的輸出電纜長短不影響電荷放大器的輸出。 輸出電壓只取決于輸入電荷輸出電壓只取決于輸入電荷 q以及反饋電路的參數(shù)以及反饋電路的參數(shù)Cf、Rf。 一般反饋電容一般反饋電容Cf可選擇的范圍為可選擇的范圍為100104pF。ffsc)1

33、(CqCAAqU 當(dāng)頻率較低時(shí)，當(dāng)頻率較低時(shí)，gf與與j Cf值相當(dāng)，值相當(dāng)，gf（1+A）不能忽略；不能忽略；A仍足夠大，則為：仍足夠大，則為： 其幅值為：其幅值為： 該式說明，該式說明，工作頻率很低時(shí)，輸出電壓工作頻率很低時(shí)，輸出電壓Uscm不僅與表面電荷不僅與表面電荷q有關(guān)，而且有關(guān)，而且與參數(shù)與參數(shù)Cf、gf和和 有關(guān)，但與開環(huán)增益有關(guān)，但與開環(huán)增益A無關(guān)。無關(guān)。信號(hào)頻率越小信號(hào)頻率越小，Cf項(xiàng)越重要項(xiàng)越重要，當(dāng)，當(dāng)ffffscjj)1)(j(jCgqACgqAUffgCfscm2CqU2f2fscm2CgqU)(j)1)(j(jciaciffaascCCCggACgAUCU 這是截止

34、頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降3dB3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為時(shí)對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為： 由上式可見由上式可見： 低頻時(shí)電荷放大器的頻率響應(yīng)僅決定于低頻時(shí)電荷放大器的頻率響應(yīng)僅決定于反饋電路參數(shù)反饋電路參數(shù)R Rf f和和C Cf f，反饋電，反饋電阻阻R Rf f還有直流反饋功能。還有直流反饋功能。 在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，故零在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路，故零漂較大而產(chǎn)生誤差。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，漂較大而產(chǎn)生誤差。為了減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定，應(yīng)并聯(lián)電阻應(yīng)并聯(lián)電阻R Rf f。 ffffL21

35、21RCgCffscm2CqU 7.4 7.4 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 7.4.1 7.4.1 工作原理及特性工作原理及特性 1 .工作原理工作原理 測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，使傳感器的質(zhì)量測(cè)量時(shí)，將傳感器基座與試件剛性固定在一起，使傳感器的質(zhì)量塊與試件有相同的運(yùn)動(dòng)、并受到與加速度方向相同的慣性力的作用。塊與試件有相同的運(yùn)動(dòng)、并受到與加速度方向相同的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的交變力作用在壓電元件上。壓這樣，質(zhì)量塊就有一個(gè)正比于加速度的交變力作用在壓電元件上。壓電元件兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷（或電壓）。電元件兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷（或電壓）。 當(dāng)

36、試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器輸出電荷當(dāng)試件的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器輸出電荷（或電壓）正比于作用力。即（或電壓）正比于作用力。即q =dijF，由于，由于 殼 體 彈 簧 質(zhì) 量 塊 壓 電 片 輸 出 端 x y m c k 基 座 （ b ） （ a ） maF madq11 2、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù) 由于傳感器輸出電荷量與試件的加速度成正比，所以壓電式加速由于傳感器輸出電荷量與試件的加速度成正比，所以壓電式加速度傳感器的電荷靈敏系數(shù)度傳感器的電荷靈敏系數(shù)KQ與電壓靈敏系數(shù)與電壓靈敏系數(shù)KU分別為分別為mdaFdaqK1111Qa11aQUCmdCKK 傳感

37、器的電荷靈系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)單位傳感器的電荷靈系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)單位pC/g、mV/g表示。表示。 3、頻率響應(yīng)、頻率響應(yīng) 如圖所示的壓電式加速度傳感器可以簡化為：由質(zhì)量如圖所示的壓電式加速度傳感器可以簡化為：由質(zhì)量m、彈簧剛、彈簧剛度度k、和集阻尼、和集阻尼c組成的組成的一個(gè)單自由度二階力學(xué)系統(tǒng)一個(gè)單自由度二階力學(xué)系統(tǒng)。其數(shù)學(xué)模型如。其數(shù)學(xué)模型如圖圖 殼 體 彈 簧 質(zhì) 量 塊 壓 電 片輸 出 端 x y m c K 基 座 （ b） （ a） 式中式中 m 壓電元件質(zhì)量；壓電元件質(zhì)量； c 等效阻尼系數(shù)；等效阻尼系數(shù)； k 等效剛度系數(shù)；等效剛度系數(shù)； x 質(zhì)量塊相對(duì)于基座位移的振幅；質(zhì)

38、量塊相對(duì)于基座位移的振幅； a 慣性力引起的加速度振幅（即振動(dòng)體加速度的振幅）。慣性力引起的加速度振幅（即振動(dòng)體加速度的振幅）。 負(fù)號(hào)表示慣性力與加速度方向相反。負(fù)號(hào)表示慣性力與加速度方向相反。makxtxctxmdddd22 二階質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式二階質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性表達(dá)式: 振動(dòng)加速度引起質(zhì)量塊位移的幅值為振動(dòng)加速度引起質(zhì)量塊位移的幅值為 質(zhì)量塊的位移滯后于加速度的相位角為質(zhì)量塊的位移滯后于加速度的相位角為20220202111ax200/1/2arctg 相對(duì)位移相對(duì)位移x：電元件的變形量。：電元件的變形量。 在彈性范在彈性范 圍圍 內(nèi)，如果作用在壓電

39、元件上的慣性力為內(nèi)，如果作用在壓電元件上的慣性力為F，壓電元件，壓電元件的剛度系數(shù)為的剛度系數(shù)為KY，則有，則有F = KYx。因此產(chǎn)生力。因此產(chǎn)生力電轉(zhuǎn)換，壓電元件表電轉(zhuǎn)換，壓電元件表面產(chǎn)生的電荷面產(chǎn)生的電荷 于是有于是有電荷靈敏度系數(shù)電荷靈敏度系數(shù)KQ與與 / 0（頻率比）的關(guān)系，稱為加速度傳感器（頻率比）的關(guān)系，稱為加速度傳感器的的頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性。 xKdFdqijijYY1Kdaqaxij2022020Y/2/1/Kdaqij 其頻率響應(yīng)特性曲線如圖所示其頻率響應(yīng)特性曲線如圖所示 =10521 0.4 0.7070.50.3 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0

40、.8 1.0 1.5 2 3 相對(duì)靈敏度 ijYdKaq20 0.9 0.8 0.5 0.1 0.3 0.2 0.6 0.7 0.4 1.0 1.5 2.0 當(dāng)當(dāng)/0相當(dāng)小時(shí)，式可寫成如下形式相當(dāng)小時(shí)，式可寫成如下形式 20YijdKaq表明：當(dāng)傳感器的表明：當(dāng)傳感器的固有頻率遠(yuǎn)大于振動(dòng)頻率固有頻率遠(yuǎn)大于振動(dòng)頻率時(shí)，傳感器的電荷靈敏系時(shí)，傳感器的電荷靈敏系數(shù)近似為數(shù)近似為常數(shù)常數(shù)，不隨工作頻率變化，此為，不隨工作頻率變化，此為傳感器的理想工作頻率傳感器的理想工作頻率。 2022020Y/2/1/Kdaqij 7.4.2 7.4.2 壓電加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)壓電加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu) M (1

41、) M M M (2) (3) (4) (6) (5) 7.4.3 7.4.3 壓電式加速度傳感器的應(yīng)用壓電式加速度傳感器的應(yīng)用 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量的頻率范圍寬、動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量的頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等。態(tài)范圍大、性能穩(wěn)定、輸出線性好等。 它它是測(cè)量振動(dòng)是測(cè)量振動(dòng)、沖擊的一種理想傳感器。沖擊的一種理想傳感器。 1用于小試件測(cè)試用于小試件測(cè)試?yán)纾跍y(cè)量飛機(jī)構(gòu)件（特別是薄板型小構(gòu)件）的振例如，在測(cè)量飛機(jī)構(gòu)件（特別是薄板型小構(gòu)件）的振動(dòng)時(shí)，為了不使構(gòu)件的振動(dòng)失真，傳感器的質(zhì)量應(yīng)盡可能動(dòng)時(shí)，為了不使

42、構(gòu)件的振動(dòng)失真，傳感器的質(zhì)量應(yīng)盡可能地輕。早期采用的地輕。早期采用的電動(dòng)式加速度傳感器電動(dòng)式加速度傳感器，因其自身較重，因其自身較重，給測(cè)量帶來較大的誤差?，F(xiàn)在采用壓電式加速度傳感器，給測(cè)量帶來較大的誤差。現(xiàn)在采用壓電式加速度傳感器，能較為準(zhǔn)確地測(cè)量出構(gòu)件的振動(dòng)。能較為準(zhǔn)確地測(cè)量出構(gòu)件的振動(dòng)。 2中高溫環(huán)境下的振動(dòng)測(cè)試中高溫環(huán)境下的振動(dòng)測(cè)試 隨著耐高溫的壓電材料的研制成功，現(xiàn)在已研制出在隨著耐高溫的壓電材料的研制成功，現(xiàn)在已研制出在400400，甚至高達(dá)，甚至高達(dá)700700的中高溫環(huán)境下應(yīng)用的的中高溫環(huán)境下應(yīng)用的壓電式傳感器壓電式傳感器。 如如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，中，最大的振動(dòng)一般發(fā)生

43、在最大的振動(dòng)一般發(fā)生在渦輪軸渦輪軸附近，渦附近，渦輪軸的溫度高達(dá)輪軸的溫度高達(dá)650650以上，且留給傳感器安裝的空間又很小。以上，且留給傳感器安裝的空間又很小。采用壓電式加速度傳感器測(cè)量，它不僅耐高溫、而且體積小，采用壓電式加速度傳感器測(cè)量，它不僅耐高溫、而且體積小，能安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承機(jī)匣上，能相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量出發(fā)動(dòng)能安裝在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承機(jī)匣上，能相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)的最大振動(dòng)。機(jī)的最大振動(dòng)。 現(xiàn)在許多的現(xiàn)在許多的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)檢測(cè)都采用了壓電式加速度傳感器。都采用了壓電式加速度傳感器。 3沖擊和振動(dòng)測(cè)試沖擊和振動(dòng)測(cè)試 沖擊和振動(dòng)是自然界和生產(chǎn)過程中普遍存在的現(xiàn)象，幾乎每沖擊和

44、振動(dòng)是自然界和生產(chǎn)過程中普遍存在的現(xiàn)象，幾乎每一種機(jī)械設(shè)備和建筑都存在振動(dòng)問題。一種機(jī)械設(shè)備和建筑都存在振動(dòng)問題。 例如，機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，不僅會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度和例如，機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，不僅會(huì)影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)精度和被加工零件的質(zhì)量，而且還要降低生產(chǎn)效率和刀具的耐用度，振被加工零件的質(zhì)量，而且還要降低生產(chǎn)效率和刀具的耐用度，振動(dòng)劇烈時(shí)還會(huì)降低機(jī)床的使用性能。動(dòng)劇烈時(shí)還會(huì)降低機(jī)床的使用性能。 通過動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采用壓電式加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，模態(tài)分通過動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，采用壓電式加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，模態(tài)分析，可充分了解各種機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，找出機(jī)床產(chǎn)生受迫振動(dòng)，析，可充分了解各種機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，找出機(jī)床

45、產(chǎn)生受迫振動(dòng)，爬行以及自激振動(dòng)（顫振）的原因，從中尋找出防止和消除機(jī)床爬行以及自激振動(dòng)（顫振）的原因，從中尋找出防止和消除機(jī)床振動(dòng)的方法和提高機(jī)床抗振性能的途徑。振動(dòng)的方法和提高機(jī)床抗振性能的途徑。 如如: :車輛道路模擬實(shí)驗(yàn)，火車環(huán)境振動(dòng)測(cè)量分析，人體的動(dòng)車輛道路模擬實(shí)驗(yàn)，火車環(huán)境振動(dòng)測(cè)量分析，人體的動(dòng)態(tài)特性研究等很多方面，壓電式加速度傳感器都有著廣泛的應(yīng)用。態(tài)特性研究等很多方面，壓電式加速度傳感器都有著廣泛的應(yīng)用。 7.5 7.5 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 7.5.1 7.5.1 壓電式壓力傳感器的原理壓電式壓力傳感器的原理 1、工作原理、工作原理 當(dāng)壓力當(dāng)壓力p作用在膜片上時(shí)，將

46、在壓電元件上下表面上產(chǎn)生電荷，電作用在膜片上時(shí)，將在壓電元件上下表面上產(chǎn)生電荷，電荷量與作用力成正比荷量與作用力成正比q = Fdij。 結(jié)論：輸出電荷量與輸入壓力成結(jié)論：輸出電荷量與輸入壓力成 正比關(guān)系正比關(guān)系.pSFijpSdq 引線插針絕緣體殼體壓電元件 膜片絕緣體 p 2、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù) 壓電式壓力傳感器的靈敏系數(shù)壓電式壓力傳感器的靈敏系數(shù)：是指其輸出電荷量（電荷或電壓）是指其輸出電荷量（電荷或電壓）與輸入量（壓力）的比值，也可以分別用電荷靈敏系數(shù)和電壓靈敏系與輸入量（壓力）的比值，也可以分別用電荷靈敏系數(shù)和電壓靈敏系數(shù)來表示。數(shù)來表示。 電荷靈敏系數(shù)電荷靈敏系數(shù) 電壓靈敏系數(shù)電壓靈敏系數(shù)pqKqpUKUa 由式由式 知，電荷靈敏系數(shù)也可表示為知，電荷靈敏系數(shù)也可表示為 由于由于Ua=q/Ca，所以電壓靈敏系數(shù)也可下式表示，所以電壓靈敏系數(shù)也可下式表示提高靈敏度的方法：提高靈敏度的方法： 為了提高壓電式壓力傳感器的靈敏度，應(yīng)選用壓電系數(shù)大的為了提高壓電式壓力傳感器的靈敏度，應(yīng)選用壓電系數(shù)大的壓電材料做壓電元件。壓電材料做壓電元件。 為了提高壓電式壓力傳感器的靈敏度，為了提高壓電式壓力傳感器的靈敏度， 可以加大壓電元件的可以加大壓電元