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1、传感器与检测技术传感器与检测技术2本章内容本章内容压电压电式式传传感器感器测测量量电电路路压电压电式式传传感器的工作原理感器的工作原理6.16.16.26.2压电压电式式传传感器感器应应用用6.36.3传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术9切片上电荷的符号与受力方向的关系切片上电荷的符号与受力方向的关系 图图（a a）是在）是在X X轴轴方向受方向受压压力，力，图图（b b）是在）是在X X轴轴方向受拉力，方
2、向受拉力，图图（c c）是在）是在Y Y轴轴方向受方向受压压力，力，图图（d d）是在）是在Y Y轴轴方向受拉力。方向受拉力。传感器与检测技术传感器与检测技术101212XYYYlblqdFdFtbt图图6.1.5(c)、(d)，此，此时电时电荷的大小荷的大小为为 根据石英晶体根据石英晶体轴对称条轴对称条件：件：1112dd 11XYYlqdFt 11XYYXXXql FUdCt C 11XlldUt 11Xld El 由上述可知：由上述可知：无无论论是正或逆是正或逆压电压电效效应应，其作用力，其作用力( (或或应变应变) ) 与电与电荷荷( (或或电场电场强度强度) )之之间间呈呈线线性性关
3、关系；系；晶体在晶体在哪个哪个方向上有正方向上有正压电压电效效应应，则则在此方向上在此方向上 定存在逆定存在逆压电压电效效应应；石英晶体不是在任何方向都存在石英晶体不是在任何方向都存在压电压电效效应应的。的。则则其其电极间电压为电极间电压为根据逆根据逆压电压电效效应应，晶片在，晶片在Y Y轴轴方向方向将产将产生伸生伸缩变缩变形形传感器与检测技术传感器与检测技术11石英晶体石英晶体一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为莫氏硬度为7、熔点为、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复
4、性好转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达高达100%、稳定性好。、稳定性好。传感器与检测技术传感器与检测技术12压电方程及压电常数矩阵压电方程及压电常数矩阵石英晶体的压电方程石英晶体的压电方程123456123TTTxyzTTTxyzxyz、 、 分别为沿 、 、 向的正应力分量(压应力为负)；、 、 分别为绕 、 、 向的切应力分量(顺时针方向为负)；、分别为在 、 、 面的电荷密度(电位移)。传感器与检测技术传感器与检测技术13
5、21,2,31,2,.6;/jijijiijjTjjiiC mdjiC Nijij电效应（场强、极化）的下标, ;力效应（应力、应变）的下标, 方向的外施应力分量（Pa）;方向的应力在 方向的极化强度（或 面上的电荷密度）（）;方向应力引起 面产生电荷时的压电常数（）。 当时为纵向压电效应；当时为横向压电效应。各向异性的石英晶体， 其单一压电效应可表示为ijijjd T式中式中传感器与检测技术传感器与检测技术传感传感器原器原理与理与应用，应用，赵梦赵梦恋恋/吴晓吴晓波波14CopyrightZhejiang Univeristy, 2009压电常数矩阵压电常数矩阵ddij65432136353
6、4333231262524232221161514131211321TTTTTTdddddddddddddddddd111122133144155166211222233244255266311322333344355366dTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdTdT1,2,3i 61jijjiTd全压电效应：全压电效应： dT或传感器与检测技术传感器与检测技术传感传感器原器原理与理与应用，应用，赵梦赵梦恋恋/吴晓吴晓波波15CopyrightZhejiang Univeristy, 2009111214252611111414110000000000000000
7、00002000000ijddddddddddd X0X0切型石英晶体的压电常数矩阵切型石英晶体的压电常数矩阵NCd12111031. 2NCd12141073. 011141114dddd左旋石英晶体的和在受拉时取“ ”，受压时取“ ”；右旋石英晶体的和在受拉时取“ ”，受压时取“ ”。传感器与检测技术传感器与检测技术16dt石英晶体的逆压电方程石英晶体的逆压电方程,61,2,i 31jijiiEdS111211132414351461400000000000020SdSdESESdESdSd逆压电效应：逆压电效应：逆压电方程的压电常数矩阵是正压逆压电方程的压电常数矩阵是正压电方程压电常数矩
8、阵的转置矩阵。电方程压电常数矩阵的转置矩阵。传感器与检测技术传感器与检测技术17111114141100000002000000ijdddddd 综上所述，可得综上所述，可得(1)压电晶体的正压电效应和逆压电效压电晶体的正压电效应和逆压电效应是相应存在的，哪个方向上存在正应是相应存在的，哪个方向上存在正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，且力压电效应，且力-电间呈线性关系电间呈线性关系(2)石英晶体不是在任何方向上都存在石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应压电效应 - 压电常数矩阵压电常数矩阵X方向：只有方向：只有d11的纵向压电效应的纵向压电效应(图图
9、a)，d12的横向压电效应的横向压电效应( (图图b)b)和和d14的剪的剪切压电效应切压电效应( (图图c) c) ；Y方向：只有方向：只有d25和和d26的剪切压电效的剪切压电效应应( (图图c c和和d) d) ；Z方向：无任何压电效应方向：无任何压电效应11141114dddd左旋石英晶体的和在受拉时取“ ”，受压时取“ ”；右旋石英晶体的和在受拉时取“ ”，受压时取“ ”。传感器与检测技术传感器与检测技术18二、压电陶瓷二、压电陶瓷经经后的人工后的人工在一定温度下施加强直流电场，迫使在一定温度下施加强直流电场，迫使“电畴电畴”去向外电场方向作规则排列去向外电场方向作规则排列；极化电场
10、去除后，趋向电畴基本保；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强得剩余极化，从而持不变，形成很强得剩余极化，从而呈现出压电性。呈现出压电性。特点：压电常数大，灵敏度高；特点：压电常数大，灵敏度高； 制造工艺成熟，性能可控；制造工艺成熟，性能可控； 成型工艺性好，成本低廉。成型工艺性好，成本低廉。传感器与检测技术传感器与检测技术19陶瓷片极化陶瓷片极化 压电压电陶瓷片陶瓷片内内束束缚电缚电荷荷与电极与电极上吸附的自由上吸附的自由电电荷示意荷示意图图 自由自由电电荷荷与与陶瓷片陶瓷片内内的束的束缚电缚电荷符荷符号号相反而相反而数值数值相等，相等，它它起着起着屏屏蔽和抵消陶瓷片蔽和抵消陶瓷片内
11、极内极化强度化强度对对外的作用，外的作用，因此陶瓷片因此陶瓷片对对外不表外不表现极现极性。性。 传感器与检测技术传感器与检测技术20压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷片上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷压电陶瓷片上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现一部分被释放而出现放电现象放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部
12、分自由电荷而出现附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。 放放电电电电荷的多少荷的多少与与外力的大小成比例外力的大小成比例关关系系 FdQ33 Q 电电荷量；荷量；d33 压电压电陶瓷的陶瓷的压电压电系系数数；F 作用力。作用力。 传感器与检测技术传感器与检测技术21若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图6.1.96.1.9所示，内于电场的方间与极化强度的方向相同，所以电场所示，内于电场的方间与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。的作用使极化强度增大。 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，
13、就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变( (图中虚线图中虚线) )如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。片沿极化方向产生缩短形变。 由于电效应而转变为机械由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能效应或者由电能转变为机械能的现象，就是的现象，就是逆压电效应逆压电效应。传感器与检测技术传感器与检测技术传感传感器原器原理与理与应用，应用，赵梦赵梦恋恋/吴晓吴晓波波22CopyrightZhejiang Univeristy, 20095.2.2 压电陶瓷的压电方程压电陶瓷的压电方程6543213
14、3323124153210000000000000TTTTTTddddd1515241531323331313300000000000000000000000000ijddddddddddd NCd123310190NCddd1233323110784 . 0NCdd12241510250压电常数矩阵压电常数矩阵：其中其中极化方向定义为极化方向定义为z z轴，垂直于轴，垂直于z z轴的平面内则各轴的平面内则各向同性。与向同性。与z z轴正交的任何方向都可取作轴正交的任何方向都可取作x x轴轴和和y y轴，且压电特性相同。轴，且压电特性相同。钛酸钡钛酸钡传感器与检测技术传感器与检测技术23体积压
15、缩压电常体积压缩压电常数数TdTddTddd3333133323132(1) x和和y方向只有方向只有d15和和d24的厚度剪切压的厚度剪切压电方向电方向(图图c)；(2) z方向存在方向存在d33的纵向压电效应的纵向压电效应(图图a)，d31和和d32的横向压电效应的横向压电效应( (图图b) b) ；(3) z方向还可得三向应力方向还可得三向应力T1、T2、T3同同时作用下，产生体积变形压电效应时作用下，产生体积变形压电效应( (图图d) d) ； 当外加三向应力相等时，由压电方程当外加三向应力相等时，由压电方程式得式得15153131330000000000000ijdddddd 传感器
16、与检测技术传感器与检测技术24以钛酸钡为例，在以钛酸钡为例，在y轴受到轴受到1N/m2的切应力。试的切应力。试求出在各方向产生的电荷密度。求出在各方向产生的电荷密度。传感器与检测技术传感器与检测技术25（1）钛酸钡（）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度等外界条件的变化压电系数较高，各项机电参数随温度等外界条件的变化小，温度稳定性好，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素小，温度稳定性好
17、，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素（如钨、铌等），可以获得不同性能的（如钨、铌等），可以获得不同性能的PZT材料。材料。（3）铌镁酸铅）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。作，可作为高温下的力传感器。压电压电陶瓷陶瓷种类种类传感器与检测技术传感器与检测技术266.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.2.1等效电路等效电路6.2.2测量电路测量电路传感器与检测技术传感器与检测技术276.2.1等效电路等效
18、电路tStsCra0Ua=Caq图图6.2.1 6.2.1 压电传压电传感器的等效原理感器的等效原理 传感器与检测技术传感器与检测技术28压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 等效成一个电压源等效成一个电压源U aU a= q/= q/C Ca a 和一个电容和一个电容C Ca a的串联电路的串联电路等效为一个电荷源等效为一个电荷源q q与一个电容与一个电容C Ca a并联的电路并联的电路 传感器与检测技术传感器与检测技术29图图6.2.36.2.3压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 如果用导线将压电传感器和测量仪器如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线
19、的等效电连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。输入电容。压电传感器的绝缘电阻压电传感器的绝缘电阻RaRa与前置与前置放大器的输入电阻放大器的输入电阻RiRi相并联。相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频为保证传感器和测试系统有一定的低频( (或准静态或准静态) )响响应，就要求压电传感器的绝缘电阻保持在应，就要求压电传感器的绝缘电阻保持在1310 才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。 以上以上传感器与检测技术传感器与检测技术306.2.26.2.2测量电路测量电路
20、压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。二是放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器也有两种形式：前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压一种是电压放大器，其输出电压与输入电压( (传感器的输出电传感器的输出电压压) )成正比；成正比；另一种是电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。另一种是电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。传感器与检测技术传感器与检测技术311 1 电压放大器电压放大器C Ca a：传感器的电
21、容：传感器的电容 R Ra a：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 C Cc c：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容R Ri i：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻C Ci i：放大器的输入电容：放大器的输入电容iaiaRRRRRciC=C +CUa=Caq等效电阻等效电阻R R为为等效电容为等效电容为传感器与检测技术传感器与检测技术32前置放大器输入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1 压电元件的力压电元件的力 F=FF=Fm msintsint 压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d d3333，产生的电荷为，产生的电荷为Q = dQ = d3333FF。tFddtdQimcos3
22、3FdjI33输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0=0） 时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 33im222acid F RU1 R (C +C +C)mi33ajRU=d F1+jR(C+C )传感器与检测技术传感器与检测技术输入电压与作用力之间的相位差：输入电压与作用力之间的相位差：)(arctan2icaCCCR令令)(CiCcCaR为测为测量回路的量回路的时间时间常
23、常数数令令10传感器与检测技术传感器与检测技术343333im2aci0d F Rd FU =C +C +C1(/ )mm如果如果0/ 1 作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1 1时，前置放大器的时，前置放大器的输入电压输入电压imU与频率无关。与频率无关。 0/3可以近似看做输入电压与作用力频率无关。可以近似看做输入电压与作用力频率无关。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，C CC C将改变将改变, ,imU也随之变化也随之变化scimU = AU-也变化也变化在设计时，常常把电缆长度定为一
24、常值。因而在使用在设计时，常常把电缆长度定为一常值。因而在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值（6.2.9） 传感器与检测技术传感器与检测技术35im33u22aciUdK =F1(C +C +C)Rm33uacidKC +C +C（6.2.10） 传感器的电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路电容传感器的电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路电容必然使传感器的灵敏度下降。必然使传感器的灵敏度下降。为此常将输入内阻很大的前置放大器接入回路。为此常将输入内阻很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大则传感器低其输入内阻越大，测量
25、回路时间常数越大则传感器低频响应也越好。频响应也越好。 传感器与检测技术传感器与检测技术36例例1 1已知已知电压电压前置放大器前置放大器输输入入电电阻及阻及总电总电容分容分别为别为R Ri i1M1M ，C Ci i100pF100pF，求，求与压电与压电加速加速度度计计相配相配测测量量1Hz1Hz的振的振动时动时幅幅值误值误差差为为多大？多大？传感器与检测技术传感器与检测技术372 电荷放大器电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换
26、的作用，其输入阻抗高达也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器与检测技术传感器与检测技术38压电传感器与电荷放大器等效电路压电传感器与电荷放大器等效电路 A A0 0是放大器的是放大器的开环开环增益，（增益，（- A- A0 0 ）表示放大器的）表示放大器的输输出出与输与输入反相，若入反相，若开环开环增益足增益足够够高，高，则则放大器的放大器的输输入端的入端的电电位接近位接近“ “地地” ”电电
27、位。位。 scFF1i=(UU ) j C +R0FF1U(U ) j C +RA 0F0F1=U j (1)C +(1)RAA（6.2.11） 传感器与检测技术传感器与检测技术0F0F1i=U j (1)C +(1)RAAC CF F、R RF F等效到等效到A0A0的的输输入端入端时时，电电容容C CF F增大增大(1(1A0A0）倍，）倍，1/R1/RF F也增大了也增大了(1(1A0A0）倍，）倍，这这就是所就是所谓谓“ “密勒效密勒效应应” ”的的结结果。果。0FC=(1)CA0F1/R=(1) 1/ RA00FFj qU11(1)(1)CRaaAjCAR 0sc000FFj qUU
28、11(1)(1)CRaaAAAjCAR 若考若考虑电缆电虑电缆电容容C CC C，则则有有0sc00FFj qU11(1)(1)CRacaAAjCCAR （6.2.13） （6.2.12） 传感器与检测技术传感器与检测技术40几点结论：几点结论：1 1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关， 而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2 2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q Q变化成变化成 线性关系的输出电压。线性关系
29、的输出电压。3 3、反馈电容、反馈电容C CF F小，输出就大，小，输出就大，4 4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择合适的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择合适的反馈电容。0sc0FFqU(1)CCAqA A0A0足够大时，传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大足够大时，传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。器的输出。U USCSC只决定于输入电荷只决定于输入电荷q q和和R RF F、C CF F由于由于FF1/R C传感器与检测技术传感器与检测技术41将压电将压电式式传传感器感器与与一只一只灵灵敏度敏度为为S Sv v且可且可调调的的电电荷荷放大器
30、放大器连连接，然后接到接，然后接到灵灵敏度敏度为为S Sx x=20mm/V=20mm/V的的光光线线示波器上示波器上记录记录，现现知知压电压电式式压压力力传传感器感器灵灵敏敏度度为为S Sp p=5pc/Pa=5pc/Pa，该测试该测试系系统统的的总灵总灵敏度敏度为为S=0.5mm/PaS=0.5mm/Pa，试问试问：电电荷放大器的荷放大器的灵灵敏度敏度为为S Sv v应调为应调为何何值值（V/pcV/pc）? ?用用该测试该测试系系统测统测40Pa40Pa的的压压力力变变化化时时，光，光线线示波示波器上光点的移器上光点的移动动距离是多少？距离是多少？传感器与检测技术传感器与检测技术42例例
31、2 2一只一只压电压电晶体的晶体的电电容容为为CaCa1000pF1000pF，电电荷荷灵灵敏度敏度为为SqSq2.5pc/N2.5pc/N，电缆电电缆电容容为为CcCc3000pF3000pF，示波器的，示波器的输输入阻抗入阻抗为为1M1M ，输输入入电电容容为为50pF50pF。(1)(1)求求压电压电晶体的晶体的电压灵电压灵敏度。敏度。(2)(2)分析分析测测量系量系统统的的频频率率响应响应特性。特性。(3)(3)如果系如果系统统允允许许的的测测量幅量幅值误值误差差为为5 5，可，可以以测测量的最低量的最低频频率率为为多大？多大？(4)(4)如果如果频频率率为为10Hz10Hz，允，允许
32、误许误差差为为5 5，用，用并联连并联连接方式，接方式，并联电并联电容的容的值为值为多大？多大？传感器与检测技术传感器与检测技术436.3 压电式传感器应用压电式传感器应用传感器与检测技术传感器与检测技术446.3.16.3.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器有有纵向效应型纵向效应型、横向效应型横向效应型和和剪切效应型剪切效应型三种。三种。纵向效应型纵向效应型是最常见的一种结构是最常见的一种结构当传感器感受振动时，因为质量块相对当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度感器基座相同的振动，并受到与
33、加速度方向相反的惯性力，此力为方向相反的惯性力，此力为Fma3333qd Fd ma传感器与检测技术传感器与检测技术45电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材料压电系数料压电系数d d3333和质量块质量和质量块质量m m有关。有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片电陶瓷片增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可以提高传感器灵敏度。以提高传感器灵敏度。3333qd Fd ma传感器与检测技术传感器与检测技术压电片的连接方式压电片的连接方式并联
34、并联片上的负极集中在中间极上，片上的负极集中在中间极上，串联串联正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。正电荷相互抵消。2 ;2qq UU CC1;2 ;2qq UU CC传感器与检测技术传感器与检测技术47压电片的连接方式压电片的连接方式比较比较并联接法并联接法输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合；，并且适用于以电荷作为输出量的场合；串联接法串联接法输出电压大，本身电容小，适用于以
35、电压作为输输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。传感器与检测技术传感器与检测技术48例例5一只压电式加速度计，供它专用的电缆一只压电式加速度计，供它专用的电缆的长度为的长度为1.2m，电缆电容为，电缆电容为100pF，压，压电片本身的电容为电片本身的电容为1000pF。出厂时标定。出厂时标定的电压灵敏度为的电压灵敏度为100V/g(g=9.8m/s2为为重力加速度重力加速度)，若使用中改用另一根长，若使用中改用另一根长2.9m的电缆，其电容量为的电缆，其电容量为300pF，问电，问电压灵敏度如何改变？压灵敏度如何改
36、变？ 传感器与检测技术传感器与检测技术49例例13 用石英晶体加速度计测量机器的振动用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g（g9.8m/s2），电荷放大器的灵敏度为），电荷放大器的灵敏度为80mV/pC，当机器达到最大加速度时，当机器达到最大加速度时，相应的输出电压的幅值为相应的输出电压的幅值为4V。试计算该机。试计算该机器的振动加速度为多大？器的振动加速度为多大？传感器与检测技术传感器与检测技术50当膜片当膜片5 5受到压力受到压力P P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷一个压电
37、片上所产生的电荷q q为为6.3.2 6.3.2 压电式压力传感器压电式压力传感器1111qd Fd SPqqk =P0uUkP00qUC11qkd S110ud SkC电荷灵敏度：电荷灵敏度：电压灵敏度：电压灵敏度：传感器与检测技术传感器与检测技术51例例14 14 有一有一块压电块压电晶体，其面晶体，其面积积S=20mmS=20mm2 2，厚度，厚度 10mm10mm，当当受到受到p p10MPa10MPa的的压压力作用力作用时时，求求它它所所产产生的生的电电荷量荷量Q Q及及输输出出电压电压。（1 1）压电压电晶体晶体为为0 0度度x x切型的切型的纵纵向石英晶体。向石英晶体。（2 2）
38、压电压电晶体晶体为为利用利用纵纵向效向效应应的的BaTiOBaTiO3 3。传感器与检测技术传感器与检测技术52利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不同来进行测量。同来进行测量。6.3.3 6.3.3 压电式流量计压电式流量计流速与管道横截面积的乘积等于流量。流速与管道横截面积的乘积等于流量。可以测量各种液体的流速可以测量各种液体的流速。中压和低压气体的流速。中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可成分的影响。其准确度可达达0.50.5，有的可达到，有的可达到0.010.01。53 结束语结束语