壓電式傳感器

壓電式與磁電式傳感器壓電效應(yīng)與壓電材料壓電式傳感器的等效電路和測量電路壓電式傳感器的合理使用壓電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器3.5壓電式傳感器以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為根底，在外力作用下，在電介質(zhì)的外表上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。發(fā)現(xiàn)：1880年發(fā)現(xiàn)石英晶體壓電效應(yīng)。創(chuàng)造：1948年制作第一臺石英晶體壓電式傳感器。特點：響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕應(yīng)用：工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學3.5壓電式傳感器力F

電荷Q3.5壓電式傳感器(1)壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)和壓電材料壓電效應(yīng)(正壓電效應(yīng))：某些物質(zhì)，當沿著一定方向受到壓力或者拉力作用而發(fā)生變形，其兩個外表上會產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)；當受力方向變化時，電荷的極性也隨著變化。(機械能轉(zhuǎn)電能)逆壓電效應(yīng)〔電致伸縮效應(yīng)〕：當在電介質(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)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。(電能轉(zhuǎn)機械能)電能機械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)3.5壓電式傳感器(2)壓電材料一、壓電效應(yīng)和壓電材料壓電材料：壓電晶體和壓電陶瓷多晶體。1.壓電晶體石英晶體(SiO2)石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點為573℃，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系的α-石英。其外形如下圖，呈六角棱柱體。有m、R、r、s、x共5組30個晶面組成。(能產(chǎn)生穩(wěn)定頻率f0)圖1石英晶體3.5壓電式傳感器(2)壓電材料一、壓電效應(yīng)和壓電材料1.壓電晶體其他壓電單晶壓電單晶中除天然和人工石英晶體外，鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材料，也已在傳感器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用，其中以鈮酸鋰為典型代表，在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。缺乏之處是質(zhì)地脆、抗機械和熱沖擊性差。3.5壓電式傳感器(2)壓電材料一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.壓電陶瓷壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性不具有壓電性，因此，必須作極化處理，即在一定溫度下對其施加強直流電場，迫使電疇趨向外電場方向作規(guī)那么排列；極化電場去除后，趨向電疇根本保持不變，形成很強的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。壓電系數(shù)高于石英晶體，但介電常數(shù)、機械性能不如石英晶體3.5壓電式傳感器(2)壓電材料一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.壓電陶瓷圖24BaTiO3壓電陶瓷的極化3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示。光軸：其中縱向軸Z－Z；電軸：經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸；機械軸：與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸〔垂直于正六面體的棱面〕稱為機械軸。圖3石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZXY(a)(b)ZYX3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)〞，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)〞，沿光軸Z－Z方向受力那么不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料1.石英晶體工作原理定量分析從石英晶體上沿機械軸〔y〕方向切下一塊如圖4(a)所示的晶體片，當在電軸〔x軸〕方向受到力作用時，在與電軸〔x軸〕垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，如圖4(b)所示。43.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料1.石英晶體工作原理定量分析其的大小為：式中—x軸方向受力的壓電系數(shù)；

—x軸方向受到的力。

〔1〕3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料1.石英晶體工作原理定量分析假設(shè)在同一晶體片上，當在機械軸〔y軸〕方向受到力作用時，那么仍在與電軸〔x軸〕垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，如圖2c所示，其大小為

式中—y軸方向受力的壓電系數(shù)；(石英晶體對稱，)—y軸方向受到的力；，—晶體片的長度和厚度?！?〕3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料1.石英晶體工作原理定量分析電荷和的符號由受力是拉力還是壓力決定的。同時從式〔1〕和〔2〕可以看出，的大小與晶體片形狀尺寸無關(guān)，而與晶體片的幾何尺寸有關(guān)。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析圖53.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析當作用力Fx=0時，正、負離子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的電偶極矩P1、P2、P3，如圖5(a)所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即(晶體外表無電荷，呈中性)P1＋P2＋P3＝0圖5(a)FX=0(q為電荷量，l為正負電荷之間距離)3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析當晶體受到沿x方向的壓力(Fx<0)作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖5(b)所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)x<0(P1極距減小)圖5(b)Fx>0在y、z方向上的分量為(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)負電荷(A面)，B面出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向那么不出現(xiàn)電荷。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析當晶體受到沿x方向的拉力〔Fx＞0〕作用時，其變化情況如圖5〔b〕。此時電極矩的三個分量為(P1+P2+P3)x>0(P1極距增大)(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0(c)FX>0在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，負向出現(xiàn)負電荷；在Y、Z方向那么不出現(xiàn)電荷。圖5(b)Fx>0++-3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析當晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向那么不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(縱向壓電效應(yīng))3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析晶體在y軸方向力Fy作用下的情況與Fx相似,當y軸方向受到壓力(Fy<0)時，晶體的形變?nèi)鐖D5(c)所示。圖5(c)Fy<0(P1+P2+P3)x>0(P1極距增大)(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，負向出現(xiàn)負電荷；在Y、Z方向那么不出現(xiàn)電荷。當y軸方向受到拉力(Fy>0),與上述情況相反。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析當晶體受到沿y(機械軸)方向的力Fy作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向那么不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。(橫向壓電效應(yīng))3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析晶體在Z軸方向力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、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就說明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析①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；②晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，那么在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析例2：石英晶體d11為2.3×10-12C/N,石英晶體的長度是寬度的2倍，是厚度的3倍。求：當沿電軸施加3×106N的壓力時電量qx;當沿機械軸施加3×106N的壓力時電量qy;石英晶體外表標出電荷極性。3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析解：①②③電荷極性如圖6(a)、(c)3.5壓電式傳感器(3)石英晶體的壓電特性一、壓電效應(yīng)和壓電材料2.石英晶體工作原理定性分析圖6石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系

3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它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，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，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，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖6(a〕。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

283.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料在陶瓷上施加外電場，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到外加電場方向一致，如圖6(b),此時壓電陶瓷具有一定極化強度。當外電場撤銷，各電疇的自發(fā)極化在一定程度上按原外加電場方向取向，陶瓷極化強度并不立即恢復(fù)到零，如圖6(c),此時存在剩余極化強度。同時極化兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端正，一端負(如圖7)。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向圖7陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為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而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，對外不呈現(xiàn)極性。3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料正壓電效應(yīng)：如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖8，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變〔圖中虛線〕，片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一局部被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向圖8正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料正壓電效應(yīng)：當壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一局部自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向圖8正壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料這種因受力而產(chǎn)生的機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷的多少與外力成正比例關(guān)系。即：式中：d33—壓電陶瓷的壓電系數(shù)F—作用力〔3〕3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料逆壓電效應(yīng)：假設(shè)在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖9，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變〔圖中虛線〕。圖9逆壓電效應(yīng)示意圖〔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Ｅ3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料逆壓電效應(yīng)：同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，那么陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。圖9逆壓電效應(yīng)示意圖〔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Ｅ由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(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)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。3.5壓電式傳感器(4)壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象一、壓電效應(yīng)和壓電材料3.5壓電式傳感器(1)壓電式傳感器的等效電路一、壓電式傳感器等效電路和測量電路壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極外表將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，如圖10所示：

圖10等效電路3.5壓電式傳感器(1)壓電式傳感器的等效電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路其電容量為

式中，ε0為真空介電常數(shù);εr為壓電材料的相對介電常數(shù)；h為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積?！?〕3.5壓電式傳感器(1)壓電式傳感器的等效電路一、壓電式傳感器等效電路和測量電路因此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如以下圖11(a)所示，也可以等效為—個電壓源，如以下圖11(b)所示。

圖11a)電荷源

b)電壓源3.5壓電式傳感器(1)壓電式傳感器的等效電路一、壓電式傳感器等效電路和測量電路CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca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與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容Cc，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra，如圖12所示。圖12實際等效電路

3.5壓電式傳感器(1)壓電式傳感器的等效電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路壓電式傳感器：不適于靜態(tài)測量：Ra無窮大不可能，導(dǎo)致電荷泄漏適用于動態(tài)測量：交變力作用下，電荷量不斷補充與更新3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號是很微弱的電壓或電荷信號；而且傳感器本身具有很大的內(nèi)阻，因而輸出能量相當微小，這給后接電路的連接帶來了一定的困難。為此通常把傳感器的信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過阻抗變換，方可進行一般的放大、檢波電路將信號輸給測試儀表或記錄儀。3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：放大壓電式傳感器輸出的弱信號;把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出。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。3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路a.電壓放大器:

a)

Ce

Cc

Ci

Ra

Ri

q

R1

R2

Uo

R1

R2

Uo

q

C

R

Ui

b)

圖13

電壓放大器電路

UaUa3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路a.電壓放大器:圖13(b)中電阻〔5〕式中—壓電式傳感器絕緣電阻；—前置放大器的輸入電阻。式中—壓電式傳感器內(nèi)部電容；

—電纜連接電容；

—前置放大器的輸入電容3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路a.電壓放大器:壓電元件上的交變力F為：〔6〕式中—作用力的幅值；—角頻率。壓電元件的壓電常數(shù)為d,附在力F作用下，產(chǎn)生的電荷Q：3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路a.電壓放大器:由圖13(b)可知，電壓放大器輸入端的電壓為：〔7〕壓電式傳感器的電壓靈敏度：〔8〕3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路a.電壓放大器:(1)當w為零時，Sv為零，因此不能測量靜態(tài)信號。(2)當(ωR)>>1時，有與輸入頻率w無關(guān)，說明電壓放大器的高頻特性良好。(3)Sv與Cc有關(guān)，Cc

改變時Sv也改變。由式(8)可知：3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路b.電荷放大器:電荷放大器實際上是一個增益放大器，其與壓電式傳感器連接后的等效電路如圖14所示，Cc為連接電纜的等效電容，Ci為集成運放的輸入等效電容，A為放大器的電壓放大系數(shù)。圖14反響電容電荷放大器實際上是一種具有深度電容負反響的高增益放大器3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路b.電荷放大器:由運算放大器根本特性可知，電荷放大器的輸出電壓

通常，故，那么上式可近似表達為〔9〕〔10〕3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路b.電荷放大器:根據(jù)式〔9〕和式〔11〕可以看出，放大器的輸出電壓只與反響電容有關(guān)，電纜連接電容對放大器的影響幾乎可以忽略不計。更換連接線纜時不會影響傳感器的靈敏度，基于此，電荷放大器的應(yīng)用日益增多。3.5壓電式傳感器(2)測量電路二、壓電式傳感器等效電路和測量電路b.電荷放大器:例2：壓電陶瓷片d33=5×10-10C/N,用反響電容Cf=0.01μF的電荷放大器測出輸出電壓幅值U0=0.4V，求所受力大??？解：

3.5壓電式傳感器(1)壓電元件的串并聯(lián)三、壓電式傳感器的合理使用

a)串聯(lián)

b)并聯(lián)

圖15兩片壓電晶片的連接

為提高靈敏度，實際壓電式傳感器中，往往采用兩片或兩片以上的具有相同性能的壓電晶體片粘貼在一起使用，由于壓電晶體片有電荷極性，因而接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，如圖15所示。3.5壓電式傳感器(1)壓電元件的串并聯(lián)三、壓電式傳感器的合理使用

a)串聯(lián)

b)并聯(lián)

圖16兩片壓電晶片的連接

圖16(a):串聯(lián)時，正電荷在上極板，負電荷在下極板，中間相互抵消。串聯(lián)時，輸出電荷等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的兩倍，總電容為單片電容的1/2。即〔11〕3.5壓電式傳感器(1)壓電元件的串并聯(lián)三、壓電式傳感器的合理使用

a)串聯(lián)

b)并聯(lián)

圖16兩片壓電晶片的連接

圖16(b):兩壓電片的負極都集中在中間，并聯(lián)時，輸出電荷為單片上電荷的兩倍，輸出電壓等于單片電壓，總電容等于單片電容的兩倍。即〔12〕3.5壓電式傳感器(1)壓電元件的串并聯(lián)三、壓電式傳感器的合理使用串聯(lián)接法時：輸出電壓高，本身電容??；適用于以電壓輸出的信號和測量電路輸入阻抗很高的情況；并聯(lián)接法：電荷輸出大，本身電容也大，因而時間常數(shù)大，故適用于測量緩慢變化信號，并以電荷作為輸出的情況。3.5壓電式傳感器(2)其他使用本卷須知三、壓電式傳感器的合理使用壓電片預(yù)應(yīng)力安裝合理的量程和頻率選擇二次儀表選用安裝電纜選擇縱、橫向壓電效應(yīng)選擇3.5壓電式傳感器(1)壓電式加速度傳感器四、壓電式傳感器的應(yīng)用運動方向21345圖17縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖其結(jié)構(gòu)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)是最常見的,如圖17。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與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。3.5壓電式傳感器(1)壓電式加速度傳感器四、壓電式傳感器的應(yīng)用當傳感器感受振動時，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，此力F＝ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為q＝d33F＝d33ma〔13〕此式說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)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。假設(shè)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)量方法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。3.5壓電式傳感器(1)壓電式加速度傳感器四、壓電式傳感器的應(yīng)用3.5壓電式傳感器(2)壓電式單向力傳感器三、壓電式傳感器的合理使用四、壓電式傳感器的合理使用圖18是一種單向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它用于機床動態(tài)切削力的測量。圖18壓電式單向測力傳感器3.5壓電式傳感器(2)壓電式單向力傳感器三、壓電式傳感器的合理使用四、壓電式傳感器的合理使用被測力通過傳力上蓋使石英晶片在沿電軸方向受壓力作用而產(chǎn)生電荷，兩塊晶片沿電軸反方向迭起，其間是一個片形電極，它收集負電荷。正電荷分布于上蓋和底座，相當于并聯(lián)，從而提高靈敏度。圖18壓電式單向測力傳感器3.5壓電式傳感器(3)煤氣灶電子點火裝置煤氣灶上用的一種電子點火器，就是利用壓電陶瓷制成的。一般壓電傳感器由兩個壓電陶瓷元件并聯(lián)組成其結(jié)構(gòu)如下圖。其輸出電容為單片電容的兩倍，極板上的輸出電荷量為單片電荷量的兩倍，那么兩極之間輸出電壓與單片輸出電壓相等。

三、壓電式傳感器的合理使用3.5壓電式傳感器(3)煤氣灶電子點火裝置煤氣灶電子點火裝置如下圖。當按下手動凸輪開關(guān)1時，把氣閥6翻開，同時凸輪凸出局部推動沖擊鉆2，使得彈簧3被沖擊鉆2向左壓縮，當凸輪凸出局部離開沖擊鉆時，由于彈簧彈力作用，沖擊鉆猛烈撞擊陶瓷壓電組件4，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而在正負兩極面上產(chǎn)生大量電荷，正負電荷通過高壓導(dǎo)線5在尖端放電產(chǎn)生火花，使得燃氣被點燃。三、壓電式傳感器的合理使用3.5壓電式傳感器(4)其他應(yīng)用用壓電式傳感器測外表粗糙度壓電引信(引爆)三、壓電式傳感器的合理使用3.6磁電式傳感器磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測量〔如振動、位移、速度等〕轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器，也稱為電磁感應(yīng)傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當N匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為φ，那么線圈內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e:線圈中感應(yīng)電動勢的大小，跟線圈的匝數(shù)和穿過線圈的磁通變化率有關(guān)。一般情況下，匝數(shù)是確定的；而磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關(guān)，故只要改變其中一個參數(shù)，都會改變線圈中的感應(yīng)電動勢。根據(jù)結(jié)構(gòu)方式的不同，磁電式傳感器通常分為動圈式和磁阻式兩大類?！?4〕3.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器動圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。圖19表示線速度型傳感器工作原理。在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，放置一個可動線圈，當線圈沿磁場方向做直線運動時，線圈相對于磁場的的運動速度為，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為圖193.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器3.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器3.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器3.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器

振動監(jiān)測

3.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器3.6磁電式傳感器(1)動圈式磁電傳感器在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場內(nèi)，放置一個可動線圈，當線圈沿磁場方向做直線運動時，線圈相對于磁場的的運動速度為v，它所產(chǎn)生的