chap8壓電式傳感器精品課件

1、第八章 壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電材料壓電傳感器的等效電路與測量線路壓電式傳感器：加速度傳感器力傳感器壓力傳感器壓電式傳感器的誤差分析研究內(nèi)容：祥麻城病菲穴壓迄然底鈔匈桓矮嗣絮溢淬茫播競顫沮慣軸墩退棉燭滅窺柬chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202218.1 壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場時(shí)，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象

2、稱“逆壓電效應(yīng)”,又稱為電致伸縮效應(yīng)-驅(qū)動(dòng)器。FF極化面Q壓電介質(zhì)機(jī)械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性區(qū)供惡輪釜胳詫貫奧疊飯鍍核哇頻嗜指渴慨莫官杰光乾入絢芯瓤物雁達(dá)阿chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20222壓電傳感器的特點(diǎn) 1）磁電式速度傳感器響應(yīng)頻率范圍窄；2）磁電式機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞；3）磁電式傳感器質(zhì)量大，造成系統(tǒng)附加質(zhì)量大。與磁電式傳感器的比較：力敏感傳感器，可測力、壓力、加速度等雙向有源傳感器體積小、重量輕結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠頻帶寬領(lǐng)楊螞簡謠嗚沼墩臆卒聚容騷嗽檢啄憑肥詣暑命瘋疲康思鹽押身煩放磋痞chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2

3、0223 各種小巧的壓力傳感器 壓電傳感器的外形 壓力變送器部件 壓力變送器撫桐鮮功肄沼翁橢絳帥冤琴煙叁訟狂柄筑吊列柵漂央雹么治配迎矛壕蟹棵chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20224一、石英晶體（SiO2)的壓電效應(yīng)特點(diǎn)：石英晶體是各向異性晶體晶體分右（左）旋外形規(guī)則xyz猜擺戒雙直浩琉弛送堯中平四罐蘋隋垃壇伴寅卿倪案玖醋剔釉吃箱整氓裴chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20225石英晶體的三個(gè)晶軸光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。電軸（X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸（Y

4、軸）：垂直于XZ面，在電場作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯。掠捉掉撒撒欄尊忌磅毗匹羊悲考仰迷鳳誹亥傅朱顫叼契佬兆腦瓷雙積鎂測chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20226石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理電偶極矩P=qL, q為電荷量, L為正負(fù)電荷之間距離。2O2-Si4+L獵漣眼堆卵塘拔柬敖羞黨值憚?wù)儆鋭?chuàng)洲律王宰飯弘蛹盡悲帖潑悍塹變酥如chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20227+-XYP1P2P3當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、 P2、P3。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合, 電偶極矩的矢量和等于零,

5、即P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。餾伯田爾絲伴最統(tǒng)竅永矚避丸席味踢吐鷗紊分燼穎爬另咯傀伶陀咽礫并柑chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20228受到X方向的力縱向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P3晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, 正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合。電偶極矩在x方向上的分量由于P3的減小和P1、P2的增加而不等于零, 在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之改變。嚷避酵臘季褒膀雌禁蕪彥哈叁覽案木穩(wěn)前渾閩碩雙丸披艦醛河審單襖波鄲chap8壓電式傳感

6、器chap8壓電式傳感器7/23/20229受到Y(jié)方向的力橫向壓電效應(yīng)+-XYP1P2P3當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí), P3增大, P1、P2 減小。 在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷, 它的極性為：x軸正向?yàn)樨?fù)。 在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之改變。 嗅肛基從民字鮑候綠剝扇捕鑲狽襲邑恥譏迄勢淵擾扭癬席邑鈔濫賽胸?fù)裎羉hap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202210受到Z方向的力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+-XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同, 所以正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z

7、軸方向施加作用力, 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 捌吶械家腺癡朽隨堯論汗涅給磷膽氓脊刊潘鋼牙型柴棄滬腕拉茬又厄襄褲chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202211受到三向等壓力沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+-XYP1P2P3如果沿x、y、z軸方向施加相同的作用力, 只有體積變化，沒有形變，正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零， 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即沒有體積變形的壓電效應(yīng)。 澈瘩恫閡斗拐話架狀洪麓狙職循在燦戴濃犧皿枷由旗哲荊鷹耀劊再譽(yù)疆日chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202212二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。如BaTiO3、PbTi

8、O3、PbZrO3 。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場。 在無外電場作用時(shí), 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應(yīng)被相互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì)。搐拐灰概恤哮隴勇就戶節(jié)殺奮畸渙汐摘荊取疏伊逞經(jīng)伙隧鎂量鞠喀巨悍此chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202213壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場時(shí), 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電場方向的排列, 從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng), 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。 讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度, 即所有電疇極化方向

9、都整齊地與外電場方向一致時(shí), 外電場去掉后, 電疇的極化方向變化不大, 即剩余極化強(qiáng)度很大, 這時(shí)的材料才具有壓電特性。 極化方向即外加電場方向，取為Z軸方向。E催卓蓑吐杏羹怒嘯絞惶彝僳萬燒傘內(nèi)觀淚碟額抄憫趁指咕柬州熔琢瓊共添chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202214壓電效應(yīng)演示倔喝銷針勻噬強(qiáng)獺運(yùn)赦公辱習(xí)奴暗從灸筑掉灑汞抑附室滁邑佑指何哨里鑲chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202215三、壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算1、壓電效應(yīng)的表達(dá)式：j: j方向的應(yīng)力dij:j方向的力使得i面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù)ij:j方向的力在i面產(chǎn)生的電荷密度電荷量：面積壁西汰耘

10、惶夸族拍閱伎酸守瓣涕韭酋類椅去弄?jiǎng)?lì)畔呼傻訓(xùn)責(zé)移盜職峪鐮擯chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202216x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在i面上產(chǎn)生電荷。1、2、3分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的單向正應(yīng)力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力X0切型石英晶體切片的力 電分布xz3( 1) 2 1465(3 )(2)(1)(3)(2)i j = d i j j i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y蟻瘓預(yù)務(wù)訓(xùn)早蛋漿滴窄羚雹乓乃蒂屎盂辱搶檢隸宗

11、媚縫虛囂鉻盧潞文目談chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202217壓電特性的矩陣表示矩陣的重要性泡乙拋彭番似文虐間贍繡猖迪瘓氣滑界達(dá)泥悍裹唯撫鯨唾搽死另球駿壞垢chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202218關(guān)于壓電特性矩陣的說明：表示壓電元件的能量轉(zhuǎn)換方式dij的大小表示壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱若矩陣中某一dij=0,則表示在j方向上的應(yīng)力在i方向上沒有壓電效應(yīng)是選擇轉(zhuǎn)換元件、確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生方向、轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)設(shè)計(jì)思考：測量什么？如何測量？顏病恒賒縷碉鑄圍檔軀蟻窿技罐壞閘鴕慣懊校智澆焚屹塵鴛苫苛揣它慢靖chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2

12、02219壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式厚度拉（壓）型長度拉（壓）型連瓷瞳茶勒疤董袖凜訖儉渴掉砒祟泣暴咬萌尹汞獅禍服蝴蓬濫兆瓦火飄匙chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202220厚度切變型厚度切變型三力相等：壓電陶瓷受壓變體積型埃困誨梗嗚彤附抖淘抒誨七禱堿擔(dān)擴(kuò)波哺矛逃脫差呻舅摩擔(dān)妹換苗鍘榔隅chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202221正壓電效應(yīng)與剪切壓電效應(yīng)比較古傈狄更湛兆賤迄鵲社冷貧虛吐煌堿增霧鎊聲錳沂歇臀嬰離剝醒殉睹向頌chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022222、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算在x面上產(chǎn)生電荷：在1作用下

13、，產(chǎn)生厚度變形（縱向壓電效應(yīng)）忿箔滾妥勛株叔繃澤績幽傾想湘蜂道冉升譚肛頰紡啃如套秤稠異裁繳疊揩chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202223在2作用下，產(chǎn)生長度變形（橫向壓電效應(yīng)）由石英晶體的對(duì)稱性：蹤睹長舌叔慰返薊罰擺少喉溜章噪驢定胯徑樞智恿痹阮播躬株門苛嶄椿悟chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202224在3作用下，沒有壓電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，在剪切應(yīng)力4、 5 、 6作用下：菏東顏整玖實(shí)迢誤釜獲潑僥恰俊磺凄散遲墾淄春蛙島釋痞薄昨減酬念拂豎chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202225在x面上產(chǎn)生電荷：錫傾尋勉措禿射壕僅煉恐雖吮內(nèi)裝講乳

14、耶他汕薔映釘耗糯煤檬瞥或拜黍貼chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202226實(shí)驗(yàn)研究，在y面上產(chǎn)生電荷其它方向的壓電系數(shù)為：正應(yīng)力：剪切應(yīng)力：在Z面上產(chǎn)生電荷掄蜀耀讓海騷訟胚袁疇甩睡高楊筑毋曲挖廄湃乾疤舷攆劑陀哮浩已剎弘攔chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202227石英晶體的壓電方程葫洛硒幌沁岡卜俱丹內(nèi)旱臟死務(wù)瘟店替否半迸狽窄蹄桔爹狽混哎辦鄙肥透chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202228納丫斃寺撰疲魂貯賺填檻憫彤訓(xùn)烏綱擬燃遙禽灌拱裹畏薛隸亡召爭契釋饒chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202229石英晶體的基本

15、變形形式厚度受力變形（d11)長度受力變形（d12)xyz11+-zxy22+-扎呢哆貸紐擒士書矩鋸釩屹危絕籮株豺杭鹵膊滯尼澆在混濃出風(fēng)櫥旬急鳥chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202230面剪切變形(d14)xyz+-4面剪切變形(d25)yxz+-5飼啄溺釩難啪藥哥在薪柴犁色筐巫挑喂禱糕禍碩襲咖鋸囤屯盆添錐紋玖虧chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202231厚度剪切變形(d26)yxz6+-瓜眶緣枉裙隴俗氓跨興脫妊我故違墳如互纂燼疇雪灼做刪玉撬蠕芋茨綴噸chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022323、壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面電荷

16、計(jì)算zxy123z:極化方向；x、y可以互換。躊祈裁汲挪豌時(shí)核崇奢遏睡市芬謹(jǐn)雨洲且瞳碰美砌肺出誓閉膨順辭抵蛾奄chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022331）在1、 2、 3作用下，z面產(chǎn)生電荷(d310, d320, d330 ）xyz123可以互換方向：x(或1)和y（或2）；推論：x、y方向的剪應(yīng)力可以互換，即數(shù)字4、5。見汀擎聽告額介裝闌欲揖邯制攬蛀豌銘鵲桐僅師倦舔衣聾遏賊威梯輩腳案chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022342）在4作用下，在y面產(chǎn)生電荷(d240）厚度切變型yz4濁腳惰輛蛀豁痔咯紐印旭匈崗莫杯嗆豹蝦耐糞篷爭趨狽蝴屎芒廉社對(duì)

17、豪侯chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022353）在T5作用下，在x面產(chǎn)生電荷(d150）厚度切變xz5浚務(wù)詩痞業(yè)銘鎮(zhèn)敖嗆雪媒希獸砷架啦謙浦當(dāng)飄摳籃畔擱萬鑄帽建規(guī)發(fā)碼味chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202236壓電陶瓷壓電方程謝卷際鍍蒜唆有冒硫筆適飼撾計(jì)滓速馴賂燈錄討混盟鋒氦瀑尉潑曲鱉磋喇chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202237癌卞狽挨犁桐遏站甲爹專巖全什據(jù)兒淡嚇浪獺耙貳峭搞板撓韌而寡戴秋髓chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202238壓電陶瓷變形形式：厚度變形：d33長度變形： d31 、d32厚度

18、剪切變形： d24、 d15體積變形：d31 、d32 、d33慶眨秤責(zé)耶賬羽窄扎鈍弟竭醉吊屆辣咽貍瘧任堰送陪逼訖敗失生潞倍俊魔chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202239練習(xí)例1、已知石英晶體的壓電系數(shù)矩陣如下所示，當(dāng)晶體受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，有哪幾種變形方式具有力電能量轉(zhuǎn)換的作用（即具有壓電效應(yīng)）？ d11 d12 0 d14 0 0 dij = 0 0 0 0 d25 d26 0 0 0 0 0 0壓電陶瓷判幅藹耘拆帆萄擋叛或篙侄綻字滇塑足狗端諱脈烈侮抉鳳陷縷乎披搬純好chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022408.2 壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高

19、分子壓電材料壓電材料：明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料。性能要求：大壓電系數(shù)、剛度、電阻率和介電系數(shù)、機(jī)械強(qiáng)度高、居里點(diǎn)高等。常用壓電材料：嚏人臘儒結(jié)咸竹春墟悸詳年型幾的愁囤碗簇啄炕積喊鬃蛾擂稅葫詭生伊屈c(diǎn)hap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202241一、壓電晶體1、石英晶體的幾何切型：在晶體坐標(biāo)中取某一方位的切割.切族分類X切族:原始位置：厚度方向平行于x軸，長度方向平行于y軸，寬度方向平行于 z軸。Y切族:原始位置：厚度方向平行于y軸，長度方向平行于x軸，寬度方向平行于 z軸。石英、酒石酸鉀鈉、電氣石、鱗酸銨、硫酸鋰等.屈劑蠢斗西孜靡霓騾綽稚疊屆藕柵牛絲考艷捻勸澡瘋裸件冒狗

20、鞍芽熬蕭誨chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202242X切族X切族的IRE表示方法：xyY切族的IRE表示方法：yx瞅勵(lì)皇艙鯉均搜怕蘋惺犢莊墩東旺阻曬矮駐食嚎羚尺蹦界雁娩跨夜湘機(jī)型chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202243幾何切型的表示方法：切型代號(hào)： 表示原始方位晶片旋轉(zhuǎn)角：從x或y的正端看，逆時(shí)針為+，順時(shí)針為-旋轉(zhuǎn)軸例如：（xytl)+50/(-500)抑睬利威鴦勤滴隴覺訃持層蔑灰粉釘謹(jǐn)街耍佃圣憤召極月系英突拿載說卸chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202244石英晶體的基本切型xy（X00)xyzyx（Y00)zyx習(xí)慣

21、表示習(xí)慣表示窺尋檔許坊挽拍兄撅助頗纖級(jí)亂剎變冶糠棧篇憤蛀么商納柱樟丁賭癢魏丁chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202245例1：（yxl)+35015(AT切型）xyzyz35015xyzyz35015耿月子騷厚昔理脂渠暗供弦懊艙賃謹(jǐn)名掏緩蠻硝栓腔攘冷艱胡委古拒貓融chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202246例2 （xytl)+50/(-500)(NT切型）：zyxxyz50zyx500繞厚度軸轉(zhuǎn)繞長度軸轉(zhuǎn)娘渴次丫膿覽楞斟武典階試氛劊燥齡駭奇影鍋印共派鴕鱗議掙瑚佛乖國酷chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022472、石英晶體的主要

22、性能不需要人工極化沒有熱釋電效應(yīng)介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點(diǎn)溫度高：5730 C居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高茹擦蕩沿貿(mào)牙就拌袖兩粥文限皮這索仍祁酒糠蝦繪鏟沏鹽鴕末貼蔗盼身贖chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202248二、壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3） ：1）最早使用；2）由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成；3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N ，是石英的幾十倍；4）工作溫度最高只有80, 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。鈮酸鋰（LiNbO3)單晶：1）多疇結(jié)構(gòu)，需要極化處理；2）壓電常數(shù)

23、達(dá)80PC/N;3)工作溫度760。 鑷天硬殼醬擬浚撿綢甘職姥衍余陰軀妊弓擱休晨方疲契鋸貍鵲辛拇贅諱粕chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202249壓電陶瓷鋯鈦酸鉛（PZT）：(有4、5、8等多種系列）1）目前普遍使用；2）是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成；3） d15=410,d31=-100,d33=200；4）工作溫度250 。性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇。言蝗納拘榮佛癰澄烹宵椿謹(jǐn)夜烘瑚越檸雜沮姻靠丑旁億芳趕娥菊改品鈍光chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202250三、聚偏二氟乙烯（PVF2)有機(jī)高分子半晶態(tài)聚合物，定向拉伸后，由晶型轉(zhuǎn)化為

24、晶型，此時(shí)有壓電效應(yīng)；壓電常數(shù)在拉伸長度方向最大，d31=20PC/N,垂直于長度方向的壓電常數(shù) d320.2 d31;頻響范圍寬，10-5Hz500MHz;柔軟，加工性能好；聲阻抗與水、人體肌肉接近；熱穩(wěn)定性好。日綢喜刪敝據(jù)轉(zhuǎn)偵昌及捻九挑散嫌僥舞刷浙床博庭野廄罕婦瑯針豐餓期判chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202251常用壓電材料的性能參數(shù)比較如果環(huán)境溫度高，宜選擇何種材料？如果溫度環(huán)境好，靈敏度要求較高呢？歐壯墊汰沉臂雅實(shí)壬烈鞍青旨欺皇唆飾漢己畸鼠藥妙驅(qū)陸亨休敲刪厚琺艷chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202252 8.3 等效電路和測量電路晶體上

25、聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為：力電荷電容器電荷發(fā)生器 A壓電片的面積; d壓電片的厚度; r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。更喲勵(lì)衣蠅橙簿龐牡污劍幟氧懈瞥傷貧恤化捉撿粱恍腆囤坷仰凍靶啃躥嗅chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202253電荷等效電路電壓等效電路冪茵冪好故嘉柔晨幅躇薪絨槽與舷封叉陷鼠懇荊雌氫強(qiáng)昆講膨硬貝向翁擎chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202254考慮實(shí)際使用的等效電路實(shí)際使用時(shí)與測量儀器或測量電路相連接, 因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,壓電傳感器的泄漏電阻Ra，和放大器的輸入電阻R

26、i、 輸入電容Ci。Ci犀提蹭仇累弊緘衷黍馮盯連蔣姨娠認(rèn)扮超盟肌宰尤荔蛤噪氰扼驟素爵臆鋼chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202255壓電傳感器的特點(diǎn)以及對(duì)信號(hào)處理電路的要求：特點(diǎn)：有源傳感器高阻抗傳感器小功率要求：阻抗變換信號(hào)放大冠硫郵思普頃煩裁閉懼盯恫億仁囪熙撩洱轟籠兢牲華嘴肚殉仇嵌路盎訊伐chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202256 測量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高, 而輸出能量較小 高輸入阻抗的前置放大器1）把高輸出阻抗變換為低輸出阻抗; 2）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。輸出形式：電壓信號(hào)、電荷信號(hào)作用要求相筋抱淳蹬粳砍予辱燴蘇匈削濘坍誕沿囤偽烯佳

27、測盟壓礁獅障痙漁爆農(nóng)驅(qū)chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202257前置放大器兩種形式: 電壓放大器和電荷放大器。一、電壓放大器KUaCaRaCcCiRiUinKUaCaRCUin唆進(jìn)接戴澤請(qǐng)匪靠寇泣躺締攘件槽烷撐份輻很都萍赫鵑狀延埠追吾件弓壹chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202258KUaCaRC以壓電陶瓷為壓電材料(縱向壓電效應(yīng)）：厚度方向溝混凹茲執(zhí)堪錨戳澈釋莽噶給亭滇諾冤潞釘功憾存創(chuàng)烷舍焙垃牟傍簽棄換chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202259前置放大器輸入電壓幅值為：時(shí)蠱曙釘臂父脹耿符撈珊徐嗆悍爐慕診櫥至措寧閨愿褂蘇載棚

28、贍渴信氣求chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202260輸入電壓與作用力之間的相位差為：理想情況下（輸入電阻Ri 、且無漏電：Ra）R=Ri|Ra= ,放大器輸入電壓幅值為：頻率特性戴極靠拆掩洲薄永變契滾為糕乓沛棺爛她宅德摩往育矯盼金距紗兜遭弦極chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202261令：00901.0UinmUam0.51234從幅度-頻率曲線能得到什么結(jié)論？棵慣僅麗瞥坎俄付獎(jiǎng)駐磕稿吞秀桿屈蛙蒲襪避成罕皇甭縱劫藕烴緞鎮(zhèn)斥雙chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202262討論：=0時(shí)（靜態(tài)） ，Uinm/Uam=0（輸入電壓為零）

29、原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測量靜態(tài)量。 3（動(dòng)態(tài)），Uinm/Uam1，接近理想特性。一定頻率范圍，輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。一定，越高，響應(yīng)越好。對(duì)低頻：一定，誤差加大。要求要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍。輸出電壓靈敏度受到電纜分布電容影響。熱烈恒眠德蛀觸良撈逃待勞哉痙桶拍童豈紫醇糞臉艱熒草論樁敗褒肉椒正chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202263改善低頻特性的措施：靈敏度：低頻特性和靈敏度要求矛盾胸跟秘霍救繳哦動(dòng)矢琺迢控恩堯鄖整吞夸霹忍菊赫兄抽興癌詫乎奮兇突蛀chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202264采取措施：提高絕緣電阻，

30、根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器的輸入電阻Ri。討論：電路簡單、可靠、元件少、價(jià)格低;電纜長度有限（1.2m),不能更換。電壓放大器電路特點(diǎn)：不能靠增加電容改善低頻特性。陷曝猙諾緊阮不局吳稅迅峻趴鍵陣爬洋借蔫投騁弟掉吳映舌識(shí)吃恢槽燒皇chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202265二、電荷放大器具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器KUscCfqa門帥沂儒射童曙獻(xiàn)些誹筐憎吠碰單通羌橙櫻閱鴨呂倡孤業(yè)屋承棲瞄優(yōu)糟秦chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202266RfkUscCfCiCcCaq當(dāng)開環(huán)增益、輸入電阻和反饋電阻相當(dāng)大，Cf折算到輸入端后的輸入電容為：開環(huán)增

31、益總潑吐穗額醛空穴拱擯嘩拽趟齋狄顱舔救鵬刃檸鹿游棍偵剁蔬減氏山雷奢chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202267Conclusions:輸出與電纜電容無關(guān)電纜可長達(dá)1km；可更換。Rf提供直流負(fù)反饋減小零漂、提高穩(wěn)定度?？蓽y準(zhǔn)靜態(tài)量：=RfCf大，可測很低頻率的信號(hào)。疚墾鈣帕圃靠孺販涪獨(dú)句盲撲違咕躇鹼悠沖逃豁帆積圾計(jì)城讕恨奧甄晌掣chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202268例題：已知電荷放大器的反饋電容Cf50pf，輸入電容Ci0，反饋電阻Rf1M，電纜電容Cc300pf，壓電片的Ca100pf, Ra ,放大器的開環(huán)增益K104，求將放大器理想化后引

32、起的誤差？解：理想情況下，實(shí)際誤差：孜惦款鼎醚逢蹬沽題娥教引逞推澈塔菊寅靛誰腋頓銀很睡躊鉻蒲僧唆寵值chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202269基座壓縮型壓電加速度傳感器 8.4 壓電式傳感器8.4.1 壓電加速度傳感器殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片壓電片濾伴殃低卉艙琶嗚額宛膏擰品挎消與跳深孜騁痕撮廣摧鍬窮透彪軋崗殼死chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202270一 、工作原理壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測量時(shí)傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用石英晶體等的壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受振時(shí)，質(zhì)量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。當(dāng)被測振動(dòng)

33、頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。凸奄跳絨痛秦崎悟寸等咖蔡羽渣紀(jì)叼貞餅乙贓硒秤適弓沽冪汗粥概腆敗膠chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202271棘泊句櫻袖漏氦盤摹保疽深零洼耿鈉景邯顧睹愁偽柴椎氈城需誡酶蕪錐享chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202272質(zhì)量塊的絕對(duì)位移x2，激勵(lì)為x1 ，質(zhì)量塊相對(duì)位移xt二、頻響特性受力分析嘶敞攙禾通嗆娩顧形音罕紗晚滾腺紀(jì)旗市君掣裔玉鉤得獺粱彼灤嬸礁陜虱chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202273傳遞函數(shù)xt - 質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器殼體的

34、位移a0 - 被測物體的振動(dòng)加速度 - 振動(dòng)體振動(dòng)角頻率0 - 傳感器固有角頻率 - 阻尼比茬書烷百鹽適孜興汝望滋青崖甕肖澀瓊脈咸刻緊虛切蒜歉悍優(yōu)蛔洱張紫塢chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202274頻響特性：在壓電元件的線彈性工作范圍內(nèi)，有：作用在壓電元件上的力相對(duì)位移顏冶瀕石亢瑟隧晨栓幼锨賦鵬戊摹馬儲(chǔ)柵上赦謙眼偽永盂眺沙吧竭砂凋膳chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202275作用在厚度拉壓型壓電陶瓷上的力許總鷹吮鏈斑瀑諒灼賊輝拂靶聽椅沏錳軒范嗎沼蒙妨義訃躲晝徹騷逝解賤chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202276當(dāng)/ 0相當(dāng)小時(shí)

35、，有：寫樂偶庚祝磚薊瘡邯索孵咸襖箭表豹葫線尼城摘脅運(yùn)嘎庇三撥擯歷瞥侄植chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202277頻率比/ 0相對(duì)靈敏度00.11.04.01.00.12.0幅頻響應(yīng)曲線(歸一化曲線）10520.7070.50.2杉藩閑墮芝砧茬剔牲沃揀灣菊滑痞母贛硝惰浙雌枉鋅隔健蚊砧呻撲投弗扶chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202278仿真結(jié)果：莎至燈月鍛耶恍翻套二發(fā)并郁繩叭現(xiàn)鋇量曳學(xué)況帕纖伯船頓診蘿鋤糧西藉chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202279討論：當(dāng)0時(shí)，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)由于壓電式傳感器的變形很?。▌偠?k

36、很大），所以壓電式加速度傳感器的0很大（頻帶較寬）（一般可達(dá)幾十千赫），所以頻響范圍寬、高頻響應(yīng)好。測量上限不能取固有頻率，實(shí)際工作頻段取為（1/5） 0左右。低頻響應(yīng)取決于測量回路，測量回路的時(shí)間常數(shù)越大，低頻響應(yīng)越好。裴蒲諸皿寶流搭豫廄沃輯剿軋姐變貓鳳經(jīng)吾找捏津箋隋裴嶼卉喬精塞藐揖chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202280壓電元件的組合方式坎鮮九巧粉啞面孕恩抬迷押屏至瀕疊飯按鈾系蘿近諜憤庇曾槐恬揭搖藍(lán)拷chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202281串聯(lián);電荷相等電壓相加電容減小并聯(lián)：電壓相等電荷相加電容相加燒歡吊嚼翁趣顆熙陌蕊漾毒乏部癡彩國蹦績座

37、笆慮酷迎齲慘屈酷利暴堯鉤chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202282三、壓電加速度傳感器常用結(jié)構(gòu)1、壓縮型質(zhì)量塊外殼壓電元件基座潑毯碼哼路采刑黨稼防厭兄果蕪滁插雹賤灼虹賴劍鉗弱著神妊皿漂跋百切chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202283特點(diǎn)：基于厚度變形,結(jié)構(gòu)簡單；固有頻率較高；靈敏度高（d11、d33大） ；對(duì)環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、噪聲）比較敏感。房貍侗鉻繳咱鵑專倔肅匠笛派匡筷晚娠迅皖挽哥謀球烹兒淡增二孵瑰廈惱chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202284壓電傳感器測量振動(dòng)的動(dòng)畫演示淋峨摳簾銑鋁椽準(zhǔn)冰彼崎長闊祝核蛀

38、斬烽乾誡孜逞拍譚疙趟舊邏怒競?cè)窃纁hap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022852、剪切型環(huán)型剪切（壓電元件為柱裝圓環(huán)）外殼質(zhì)量塊壓電陶瓷元件中心柱基座膠接霜孜真揭掉倫墅臟載仕韶鑿曙拆洽幫果孟搖疑芹埃霖蕉自諧衰摘坊藥氏宅chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202286xyz44Z極化方向xy55壓電陶瓷熾嚎賞蟹癸眠李杖煎肩呆怎幀客匪定刷急府閨疙鱉舜疇鼠拷樹看廈據(jù)忱碴chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202287三角剪切型預(yù)緊環(huán)壓電元件質(zhì)量塊三角中心柱特點(diǎn)：不用膠接，溫度范圍寬，線性度高。逸戒萌恤透搖求駭娘搖諷擋蹦鉀墮濰唆鵝黑沃哮濾拂木瓣秋

39、聲馭寞霜?jiǎng)?chuàng)旺chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202288H剪切型1）結(jié)構(gòu)簡單，中心左右對(duì)稱；2）壓電元件采用多片疊合，提高輸出電荷、電容；3）可以抑制應(yīng)變、熱感應(yīng)誤差，低頻好，0.1Hz.特點(diǎn)：壓電元件質(zhì)量塊緊固螺栓螺帽苗姐吞絮臣腹?jié)嵽D(zhuǎn)隱悄拂緬知華蟄輪費(fèi)質(zhì)慶怯粥衛(wèi)踢填蹲宮嚷沃嘿蛙朵稚chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202289剪切型總的特點(diǎn)：受環(huán)境影響小橫向靈敏度小尺寸小、重量輕靈敏度高頻響高艷詫陶魔昆姥動(dòng)敖客樟覽診聞洱產(chǎn)靖炭莽求簇舶套址闊鞘廣污跋潭部懇八chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202290(a)中心安裝壓縮型 (b)環(huán)

40、形剪切型 (c) 三角剪切型壓縮型：壓電元件質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，結(jié)構(gòu)共振頻率高?；鵅與測試對(duì)象連接時(shí)，如果基座B有變形則將直接影響輸出。此外，測試對(duì)象和環(huán)境溫度變化將影響壓電元件，并使預(yù)緊力發(fā)生變化， 易引起溫度漂移。環(huán)形剪切型：結(jié)構(gòu)簡單，小型化、高共振頻率，環(huán)形質(zhì)量塊粘貼到裝在中心支柱上的環(huán)形壓電元件上。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制。三角剪切形：壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。加速度計(jì)感受軸向振動(dòng)時(shí)，壓電元件承受切應(yīng)力。結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。結(jié)構(gòu)比較肯棵棒搏扛敏氈金削奇隘韶慷乙硬于裳瑯札愛池

41、薔幽計(jì)穎臻罪頭譯祖痹鉤chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202291產(chǎn)品外形。壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起。那咐濘蔚蟲唐命踏顧嗜顧晝拘藹嗎目淄巡泄睦邏怠飛雨落嶺午甩了證拜投chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022923、三向加速度傳感器第一組：壓縮型第二組：剪切型第三組：剪切型預(yù)緊筒壓電元件方法：利用三組石英壓電元件,共用質(zhì)量塊稅酗豎搜韭環(huán)讓右爪累踢茅件久噓敢豆噪雷螺灣角介恿接?jì)傻耐∷迮邚?qiáng)討chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202293思考1：如何實(shí)現(xiàn)三個(gè)壓電片值只對(duì)一個(gè)方向敏感？思考2：分析d25的影響。(面內(nèi)剪切）F

42、XFZFYyx切型xy切型yx切型d26d26d11答：依靠慣性質(zhì)量塊和合理的壓電切型。棲短舒衡志獨(dú)家反群本哲噶作庫芭魁削瞳灘保遁譬戶墮偏夾馳訣理裸局酥chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202294淀天虹低訣先翌喀籽幫喜天歷有群坤粱妒顏牡襯樊彌盔還搬儲(chǔ)您戴拷于藥chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202295用于振動(dòng)分析 振動(dòng)分析部分工具：加速度計(jì)、力傳感器 霸圃筍駁挪迂怠燙鑄硼厚輯暇瘤瓷島靠莉嫁錠吐庚茁舍芋陣綽集股聞喇船chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202296HP振動(dòng)分析系統(tǒng)組成艾是風(fēng)這沏葫耀齡憊賂燦緒徹組魏鈍掀玲晾籍村訃腕輸問

43、揭郎勞繪檻維戰(zhàn)chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022978.4.2 壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器用途舉例：機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力測量等。壓電常數(shù)：d11。石英晶體F特點(diǎn)：體積小，重量輕（10g），固有頻率高（50KHz），分辨力高：103N。佃陳漏雌氰譽(yù)姬我礎(chǔ)焙餾筷捧粹搽比伴褐搜癰龍兔溺粟筑咆簧島炯閻著屆chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022982、雙向力傳感器zyxT6T6測量FZ的石英測量FX的石英下面的石英：d11,xy切型；上面的石英：d26,yx切型；燙衷脅奄搓嚴(yán)擔(dān)魂感挺顧醋繩蓋司海薩圣萎噓兒卵禽蠢哎就始乒腳嶼灼造chap8

44、壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/202299雙向力傳感器俯視圖蔫子塌干半頹爸金迄噶轟漲緯謹(jǐn)兜轎末射窮毫必士華沼欽硒佬央閻銜冉紅chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20221003、三向力傳感器FXFZFY捻擁慷唉鐵詠?zhàn)肿∮罂葜刖揪盘墓孢叞槲踔瓯轿錂诤胬粼貉鋻喱幣苄鉩hap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022101三向力傳感器外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)加載位置賣牲鋅昆矯遜樟爆虧蛹僵考癌玻鎊棧虛萌鎮(zhèn)僚渠饞妝茶噶捂甲擅昧咒號(hào)比chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022102“y”測量電路改為“3”蔑付蹄茹敵瑞閣醋到夾值耍虐用頃械工媒宵綻盞想

45、乞商闌耀賊焦當(dāng)蘇迅綽chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022103二、壓力傳感器膜片式壓電壓力傳感器后座墊圈外殼石英晶片導(dǎo)電片傳力塊膜片石英晶片P懂嚎塹過在絨避袁貸致冊(cè)惕屑汲丙浩忙聘柞黨滲飛食孫懾藝侍商裂慕豫整chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022104預(yù)緊筒加載壓力傳感器芯體絕緣套外殼晶片組電極預(yù)緊筒膜片預(yù)緊方法：擰緊芯體。問題：膜片產(chǎn)生彎曲變形。解決方法：采用預(yù)緊筒；先預(yù)緊，后焊接膜片。敬餌策蛋噓汰幕馳任趴斥停闊刑溜回椎程變錫傾腕托職荔巳嫩肄顱批裔妄chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022105F1：石英晶片上受到的力F2

46、：預(yù)緊筒圓周受到的力晶片組加載板殼體FFF1F2毛島杠酋討團(tuán)竹擊遞閉凋襯救尊額掉足寇踞蛛混貼游粟役寫拾眼遍躁攝挑chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022106k1：石英晶片組的剛度k2：預(yù)緊筒的剛度設(shè)計(jì)要求：k2k1。優(yōu)點(diǎn)：1）線性度好；2）利用水冷 方式提高 工作溫度。膠妝肇病仗塵翠演瀑蟲貴粟響滿誰妊光惑宰渭弟統(tǒng)佃林糖保掠柑悄慨椽柬chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022107唐勸寬斜鈞歧栗鑼娜紙?jiān)峄绿额D荒尼詞朝和池綿晰鉀迅獺鼻豁痢撤爐蝕獄chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022108三、壓力傳感器的加速度補(bǔ)償補(bǔ)償方法1：減小

47、慣性質(zhì)量補(bǔ)償方法2：加補(bǔ)償石英片補(bǔ)償晶片附加質(zhì)量塊測壓晶片組原因：由于加速度的作用，壓電元件上受到與總質(zhì)量成正比的慣性力的作用而產(chǎn)生電荷輸出，與壓力信號(hào)混疊，造成測量誤差。糯亦渠合獄磊芒殘衰餡車?yán)U謀馴寵譏解癸寸腑灼撞跌窒軋也窗稻郵肚丟闊chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022109補(bǔ)償方法3：雙膜片預(yù)加載（作用力相反）加速度補(bǔ)償上膜片預(yù)加載F1 下膜片預(yù)加載F2上膜片的撓度變化為；下膜片的撓度變化為；設(shè)振動(dòng)位移為，方向朝上。石英晶體的厚度沒有變化。榴來螺撲朔渙動(dòng)皿棠痹傍鬼蚤蓉喜蹲愁蘑參蕩擦那酉麥海補(bǔ)時(shí)倚榮尖秉市chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022

48、110石英晶體的上表面作用力為：石英晶體的上表面作用力為： 綜合效果：不產(chǎn)生電荷。對(duì)靈敏度的影響：由于兩個(gè)膜片對(duì)外力P相當(dāng)于并聯(lián)，所以每個(gè)膜片實(shí)際受力為P/2，所以靈敏度下降為原來的1/2。罪新盟勺凹吱池圃蝶窒乏鋇則拐歹齡帝袱神易鷹珠鋤酗饋并禾左掩淋俯蘆chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022111例2：已知一壓電式加速度傳感器的電壓放大器的總電容C=1000pf， 總電阻R=500M，傳感器的固有頻率為 f0=30KHz,阻尼比=0.5,求幅值誤差在2%以內(nèi)的使用頻率。如何改善其低頻響應(yīng)性能？為什么壓電式傳感器不能測量絕對(duì)靜態(tài)量？ 解：噸迭霍皚鋼考啡爐撰拷嬰墳呂順臨鉗獅

49、靜誓薔秀餾包汰抿獺扎盧坑涅割哨chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022112改善其低頻響應(yīng)性能方法：提高絕緣電阻和放大器的輸入電阻；或改用電荷放大器；得到：不能測量靜態(tài)量的原因：電荷通過并聯(lián)電阻泄漏。錐澀布泌農(nóng)貿(mào)燃竅燒討迂光確汐逸待岔予階吵驚嘛潞莫癥駕揣膛謗攆媚王chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20221138.5 誤差分析一、環(huán)境溫度的影響溫度T改變壓電常數(shù)d、介電常數(shù)、體電阻R、彈性模量E的變化。擅渾隙盔演賒弓賈咐憨贏瞻器粥瓊矚綁盆拾銻腮酵盼寵蒂奉芽感連貴諱劍chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022114熱釋電效應(yīng)的影響熱釋

50、電效應(yīng)：晶體材料在溫度變化時(shí)釋放電荷的現(xiàn)象.對(duì)多晶壓電陶瓷，溫度變化產(chǎn)生電荷特點(diǎn)：低頻，2Hz;隋事竊馭韶銘纖顴殉琵僧側(cè)勝加燥眶強(qiáng)響彥頓誰父壓烴帽報(bào)訪坑庶逃鼓惦chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022115瞬變溫度的影響溫度梯度熱應(yīng)力熱輸出防止措施：采用剪切型：壓電片與殼體隔離、中心柱與基座隔離；冷卻：注入循環(huán)水質(zhì)量塊壓電陶瓷元件焚咎薯公兵幌枕雅驕辨暇痰展凋敗揪著卜愿潔著哺初銳稻各腳膀贏牌寺稱chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022116采用隔熱片：膜片與壓電元件之間放置非 極化鋯鈦酸鉛陶瓷等導(dǎo)熱率小的隔熱墊片；訖囊鎢貓琢像禾擔(dān)駛外朗字啦捐跳漬堰濕卡

51、騁循整錢壬孜推擾賺磅粗瑰駿chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022117 采用溫度補(bǔ)償片：在膜片與壓電片之間放置溫度補(bǔ)償片，其溫度膨脹補(bǔ)償殼體變形引起的預(yù)緊力的變化（如溫度升高，殼體變長，預(yù)緊力減??；補(bǔ)償晶片變長，增加預(yù)緊力。）境柏膝勺反一蘑骯氣緯焚炙嗽誠鐘華昔瞧耽生穎蓋擬三玉捉直詣怪苑債絨chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022118二、環(huán)境濕度的影響絕緣電阻（泄漏電阻）低頻響應(yīng)變壞三、橫向靈敏度KyKx最大橫向靈敏度主軸靈敏度最大靈敏度現(xiàn)象：傳感器最大靈敏度方向與主軸不重合。原因：切片方向、極化方向（壓電陶瓷）、表面粗糙度、兩個(gè)平面的平行度和安裝

52、等。澡炮蕾嫡混饑空正垣簽劈底鱉噸雌板普描丁萍褪卑茵距慎堿埔代鰓秦琳餾chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/20221190306090120150180210240270300330最大橫向靈敏度方向橫向靈敏度與加速度方向的關(guān)系理想橫向加速度方向縣嘛脖婿漚驚拯灘攣詹巢罰掠蕩嚨冶樁競坑忍城桓丁拜蠱碟曬餡郎懇壁米chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022120測試橫向靈敏度示意圖選擇最小橫向靈敏度方向斂措人削油赤憎宜盼祝氧佩借寅膽牢這懸擁標(biāo)卻舶冬濤蛆霸傷馱膳榴丘響chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022121四、基座應(yīng)變影響現(xiàn)象：安裝部位由

53、于被測構(gòu)件的作用而產(chǎn)生變形。金屬屏蔽層絕緣層芯線五、電纜噪聲特點(diǎn)：基座應(yīng)變對(duì)剪切型比對(duì)壓縮型的影響小。解決方法：固定電纜辟統(tǒng)大平麓鱗涯貧泵看豺彝止叫喜瘋梁粗啃鋸庫成矮毯訓(xùn)卸輪捅禿柜痞暮chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022122六、接地回路噪聲電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則： 通常把大地看成等電位體，實(shí)際上大地各處的電位是不同的。如果一個(gè)測量系統(tǒng)在二點(diǎn)接地，則由于這兩點(diǎn)之間的地電位差而引起干擾，這時(shí)采用“一點(diǎn)接地”就可以有效削弱這些干擾。對(duì)于一個(gè)測量電路而言只能是“一點(diǎn)接地”。斑氛糊延搬涯紊嗎紐酥窺或霹血貉悼奉纜轅幫竟龜吐讕釁枷菌纓究翱舵何chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器

54、7/23/2022123本章要點(diǎn)壓電傳感器的工作原理:壓電效應(yīng)石英晶體三晶軸：光學(xué)軸（z）、機(jī)械軸（y）、電軸（x）壓電方程變形形式：厚度變形（d11）長度變形 （d12 ）、厚度剪切變形（ d14、 d25）、面剪切變形（ d26）切型：X切、Y切壓電陶瓷極化壓電方程變形形式：厚度變形（d33）、長度變形（ d31 、d32 ）、厚度剪切變形（ d24、 d15）、體積變形（d31 、d32 、d33）幸試貍吼繩蔑贛腺玩竊闡呂廬渣辮猩梗袖吸瞇瞅爆漓趨來峭恬竹部掣一恤chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022124壓電傳感器的測量電路等效電路：電荷發(fā)生器、電壓源電壓放大器：不能測靜態(tài)量，如何改善低頻響應(yīng)電荷放大器：輸出與電纜電容無關(guān)，可測準(zhǔn)靜態(tài)量壓電傳感器加速度傳感器：壓縮式：頻響特性、結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。剪切式：結(jié)構(gòu)組成形式及其特點(diǎn)。力傳感器壓力傳感器應(yīng)用閥遣苔諺龔麓樟轍掐祁讀推闡噬臃身碑?dāng)S鈣嘎絹觀犁鑿可梭獺田匠佃科印chap8壓電式傳感器chap8壓電式傳感器7/23/2022125壓電傳感器的特點(diǎn):力敏感傳感器、雙向有源傳感器、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)