傳感器原理及應(yīng)用-第5章2課件

1、第五章 壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)二、壓電材料三、壓電傳感器的測量電路四、壓電傳感器的應(yīng)用主要內(nèi)容：本章重點： 壓電效應(yīng)； 壓電傳感器的測量電路； 壓電加速度傳感器的動態(tài)特性。1. 了解常用壓電材料的壓電效應(yīng)及特點；2. 掌握壓電式傳感器測量電路的特點；3. 掌握壓電式加速度計的頻率響應(yīng)特性。基本要求：是典型的有源傳感器（發(fā)電型傳感器），以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 壓電傳感元件是力敏感元件，能測量最終能變換為力的物理量，如力、壓力、加速度等。 響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、

2、聲波測井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 電能機械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。逆壓電（電致伸縮效應(yīng)）效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。 天然石英晶體的外形是六角棱柱體，在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的軸來表示。圖5-1 石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZXY(a)(b)ZYX一、石英晶體的壓電效應(yīng)其中：縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過棱線，并垂

3、直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時垂直的YY軸（垂直于棱面）稱為機械軸。縱向壓電效應(yīng)沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)；橫向壓電效應(yīng)沿機械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)；沿光軸ZZ方向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 FX=0時，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖示。此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即石英晶體受外力作用時晶格的變化情況1、只受力FX作用圖5-2 石英晶體的壓電效應(yīng)Y+-X(a) FX=0P1P2P3(c) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 當(dāng)晶體受到沿X方向的拉

4、力（FX0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為 即在X軸正向出現(xiàn)負(fù)電荷，Y、Z方向不出現(xiàn)電荷。 石英晶體在只受FZ的作用下，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和仍等于零。這表明：只受FZ作用時，石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3、只受力FZ作用 從石英晶體上切下一平行六面體，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。在垂直X軸方向用真空鍍膜或沉銀法得到電極面，即為晶片。 當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力XX作用時，將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度PXX與應(yīng)力XX成正比，即圖5-4 石英晶體切片ZYXb

5、lt石英晶片受外力作用時的變化情況1、縱向壓電效應(yīng)式中 ： d11縱向壓電系數(shù)，d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的長度和寬度。 式中：qX在垂直于X軸平面上產(chǎn)生的電荷。極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上電荷密度，即 將上兩式整理，得 正壓電效應(yīng)式中 電極面間電容。 該石英晶片極間電壓為逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向產(chǎn)生伸縮，即或用應(yīng)變表示，則式中 EXX軸方向上的電場強度。 逆壓電效應(yīng)FXFX+(a)(b)XX 在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。 圖5-5 晶片上電荷極性

6、與受力方向關(guān)系根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=d12，則上式為則其極間電壓為逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示逆壓電效應(yīng)由上述可知： 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關(guān)系； 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)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 屬于鐵電體，是多晶壓電材料，具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，有一定的極化方向，從而存在一定的電場。在無外電場作

7、用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此壓電陶瓷內(nèi)初始極化強度為零，見圖（a）。 圖5-6 壓電陶瓷中的電疇變化示意圖電壓表無法測出陶瓷片內(nèi)部極化強度的原因圖5-7 陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 陶瓷片內(nèi)極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反且數(shù)量相等，起著屏蔽和抵消片內(nèi)極化強度對外界的作用。 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向 若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，電場的作用可使極化強度增大。這時，陶瓷

8、片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。 實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況。 極化方向電場方向2、逆壓電效應(yīng)圖5-9 逆壓電效應(yīng)示意圖 壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。 陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷釋放或補

9、充的結(jié)果。注意：5-2 壓電材料種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。一、石英晶體（SiO2） 具有良好壓電特性的壓電單晶。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化，如下圖。dt/d201.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200斜率：0.016/t圖5-10 石英的d11系數(shù)相對于20的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/相對介電常數(shù)居里點圖5-11 石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性 可見，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高

10、1，壓電系數(shù)僅減少0.016。到573時，完全失去壓電特性，這就是它的居里點。 突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。石英晶體的特點 石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇切型。石英晶片的切型切型符號表示方法IRE（無線電工程師學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號表示法習(xí)慣符號表示法 IRE表示法 IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號包括一組字母（X、Y、Z、t、l、b）和角度。用X、Y、Z中任意兩個字母的先后排列順

11、序，表示石英晶片厚度和長度的原始方向；用字母t（厚度）、l（長度）、b（寬度）表示旋轉(zhuǎn)軸的位置。當(dāng)角度為正時,表示逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)角度為負(fù)時,表示順時針旋轉(zhuǎn)。例如：(YXl)35切型，其中第一個字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋轉(zhuǎn)前的位置)時的厚度沿Y軸方向，第二個字母X表示石英晶片在原始位置時的長度沿X軸方向，第三個字母l和角度35表示石英晶片繞長度逆時針旋轉(zhuǎn)35，如圖。ZZOOYYZXX35(a)(b)圖5-12 （YXl）35切型（a）石英晶片原始位置（b）石英晶片的切割方位Y又如（XYtl）5/-50切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿X軸方向，長度沿Y軸方向，先繞厚度t逆時針旋轉(zhuǎn)5，再

12、繞長度l順時針旋轉(zhuǎn)50，如圖。OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位 圖5-13 (XYtl)5/-50切型習(xí)慣符號表示法 習(xí)慣符號表示法是石英晶體特有的表示法，它由兩個大寫的英文字母組成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和FC等，見表5-1。二、 壓電陶瓷（一）鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1克分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。 不足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。（二） 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）

13、鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr、Ti)O3。 與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。 此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 （三）壓電聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在

14、膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2PZT)。 （四）壓電半導(dǎo)體材料 如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。5-3 壓電式傳感器的測量電路 圖5-14 壓電傳感器的等效電路 qq電極壓電晶體Ca(b)(a)兩極板間的電壓為一、等效電路 可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器，如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集

15、異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。其電容量為 因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)。 （a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路圖5-15 壓電傳感器等效原理qCaUaUaq/ Caq UaCaCa壓電晶體的適用范圍 傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負(fù)載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，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

16、，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。 如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接，則應(yīng)考慮連接導(dǎo)線的等效電容、電阻，前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiqCa傳感器的固有電容；Ci 前置放大器輸入電容； Cc 連線電容；Ra 傳感器的漏電阻；Ri 前置放大器輸入電阻。壓電傳感器的完整等效電路圖5-16 壓電傳感器的完整等效電路 壓電傳感器的絕緣電阻Ra與放大器輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求：對測試系統(tǒng)的參數(shù)要求傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。測試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時間常數(shù)

17、，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，產(chǎn)生測量誤差。 二、 測量電路壓電式傳感器前置放大器的作用把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的微弱信號。前置放大器形式電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。1、電壓放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua圖（b）中圖5-17 壓電傳感器連接電壓放大器等效電路而壓電元件所受作用力 若壓電材料是壓電陶瓷，壓電系數(shù)為d33，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為 由圖(b)可得放大器輸入端的電壓U

18、i為的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差為=R(Ca+Cc+Ci)，為測量回路的時間常數(shù)，并令0=1/，則可得一般/03，即可近似認(rèn)為輸入電壓與頻率無關(guān)。說明，在時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。 0|G(j)|(a) 幅頻特性曲線00(b) 相頻特性曲線90450圖5-18 壓電傳感器連接電壓放大器動態(tài)特性如果/01傳感器電壓靈敏度Ku為因為R1，故Ri越大，時間常數(shù)越大，則低頻響應(yīng)也越好。Ku受電纜分布電容的影響較大，改變電纜長度Cc將改變，須重新校正靈敏度值。qA0CaUUSCiRaCFRF2、電荷放大器圖5-19 電荷放大器原理電路圖 是一個具有深度負(fù)反

19、饋的高增益放大器。若開環(huán)增益A0足夠大，并且輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為： 等效電路圖A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到A0的輸入端，CF增大(1A0)倍，電導(dǎo)1RF也增大(1A0)倍。所以C=(1A0)CF；1/R=(1A0)/RF，這是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果。圖5-20 電荷放大器等效電路圖輸出電壓運放輸入電壓若考慮電纜電容Cc，則有當(dāng)A0足夠大時，傳感器電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于電荷q及反饋回路參數(shù)CF和RF。又由于1RFCF，則可見：當(dāng)A0足夠大時，輸出電壓與A0無關(guān)，只取決于輸入電荷

20、q和反饋電容CF，改變CF便可得到所需的電壓輸出。 CF一般取值100104pF。 運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A0對精度有影響，當(dāng)頻率很高時，則則可計算產(chǎn)生的誤差為及高頻響應(yīng)特性 由此得A0105。對線性集成運算放大器來說，這一要求是不難達(dá)到的。 例:Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=105pF,當(dāng)要求1%時，則有 當(dāng)很低時，分母中電導(dǎo)1/Ra+(1+A0)/RF與電納jCaCc(1+A0)CF的值相當(dāng)，電導(dǎo)不可忽略。若A0足夠大，則其幅值為低頻響應(yīng)特性當(dāng)1/ RF = CF時 可見這是截止頻率點的輸出電壓，-3dB時對應(yīng)的下限截止頻率為 USC與q間的相位

21、誤差 壓電式傳感器配用電荷放大器時,其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)RF和CF。CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定，所以當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率fL時, RF值也可確定。如當(dāng)CF=1000pF，fL=0.16Hz時,則RF109。 可見 高頻上限決定于壓電元件的Ca和電纜的Cc與Rc。這些值通常很小，故fH 可高達(dá)180KHz。 電荷放大器較之電壓放大器的優(yōu)點是輸出不受電纜分布電容Cc的影響，低頻特性好；缺點是線路復(fù)雜，調(diào)整困難，成本較高。一、壓電式加速度傳感器二、壓電式壓力傳感器三、壓電式流量計四、集成壓電式傳感器五、壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用5-4、壓電式傳

22、感器的應(yīng)用一、 壓電式加速度傳感器 當(dāng)傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力Fma。慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345圖5-21 縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖（一）結(jié)構(gòu)原理 一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種，縱向效應(yīng)型最常見。 壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢緊固在一起。輸出信號由電極1引出。此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。 為了提高靈敏度，要求選擇壓電系數(shù)大

23、的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。 用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。 提高傳感器靈敏度的辦法qd33Fd33ma 圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負(fù)極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍，即連接方式：+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)+圖5-22 疊層式壓電元件并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高

24、的場合。+(b)串聯(lián)+ 圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，而輸出電壓U為單片電壓U的2倍，總電容C為單片電容C的一半，即（二）動態(tài)響應(yīng) 壓電式加速度傳感器可用質(zhì)量m，彈簧k、阻尼c的二階系統(tǒng)來模擬，如圖示。 設(shè)被測振動體位移x0，質(zhì)量塊相對位移xm，則質(zhì)量塊與被測振動體的相對位移為xi，即根據(jù)牛頓第二定律有圖5-23 二階模擬系統(tǒng)輸入為加速度 ，輸出為 0固有頻率，相對阻尼系數(shù)，幅頻特性為相頻特性為 由于質(zhì)量塊與被測振動體相對位移xm-x0，也就是壓電元件受力后產(chǎn)生的變形量

25、，于是式中 ky壓電元件彈性系數(shù)。則壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系為由頻率響應(yīng)特性曲線看出，當(dāng)被測體振動頻率遠(yuǎn)小于傳感器固有頻率0時，傳感器的相對靈敏度為常數(shù)，即 圖5-24 加速度傳感器的頻響特性 由于傳感器固有頻率很高，因此測量頻率范圍較寬，一般在幾Hz到幾千Hz。但是傳感器低頻響應(yīng)與前置放大器有關(guān)，若采用電壓放大器，低頻響應(yīng)將取決于變換電路的時間常數(shù)；前置放大器輸入電阻越大，則傳感器下限頻率越低。二、 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作

26、用后，在一片壓電元件上產(chǎn)生的電荷q為 P壓強， ；S膜片的有效面積。123456p圖5-25 壓電式測壓傳感器原理圖因為 ，所以也可表示為 U0壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容 如果傳感器只有一片壓電晶片，則根據(jù)靈敏度的定義有： 電壓靈敏度電荷靈敏度三、 壓電式流量計 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射圖5-26 壓電式流量計 此流量計可測各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。可根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況 利用超聲波在順流、逆流方向傳播速度

27、不同進(jìn)行測量。在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比，據(jù)此可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 F1發(fā)射的超聲波先到達(dá) T1壓電式超聲波流量計測量流量原理分類時間差法測量流量原理： 在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波到達(dá) F2的時間較短F2F1頻率差法測量流量原理： F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側(cè)管壁被F2接收，此信號經(jīng)放大后再次觸發(fā)F1的驅(qū)動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖 。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復(fù)頻率為f1。同理可以測得F2