第8章压电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、第8章压电式传感器第1页，共77页，编辑于2022年，星期二8.1 8.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 正正压压电电效效应应(压压电电效效应应)：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的两两个个表表面上便产生面上便产生符号相反符号相反的电荷；的电荷；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；当当作作用用力力方方向向改改变变时时，电电荷荷的的极极性性也也随随之之改改变变。人人们们把把这这种种机械能机械能转换为转换为电能电能的现象，称为的现象，称

2、为“正压电效应正压电效应”。逆逆压压电电效效应应:当当在在电电介介质质极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质也也会会产产生生几几何何变变形形。人人们们把把这这种种电电能能转转换换为为机机械械能能的的现现象象，称称为为“逆压电效应逆压电效应”。2022/9/182第2页，共77页，编辑于2022年，星期二压电效应压电效应可逆性可逆性 2022/9/183第3页，共77页，编辑于2022年，星期二压电材料：压电材料：具具有有压压电电效效应应的的材材料料称称为为压压电电材材料料，压压电电材材料料能能实实现机现机电能量的相互转换。电能量的相互转换。压电材料分类压电材料分类：压电晶体、压

3、电陶瓷和有机高分子压电材料压电晶体、压电陶瓷和有机高分子压电材料。2022/9/184第4页，共77页，编辑于2022年，星期二常用压电材料性能参数常用压电材料性能参数 2022/9/185第5页，共77页，编辑于2022年，星期二 一、石英晶体一、石英晶体石英晶体：石英晶体：化学式为化学式为SiOSiO2 2，是单晶体结构，正六面体。，是单晶体结构，正六面体。石石英英晶晶体体的的各各向向异异性性：纵纵向向轴轴z z称称为为光光轴轴，经经过过六六面面体体棱棱线线并并垂垂直于光轴的直于光轴的x x轴称为轴称为电轴电轴，与，与x x和和z z轴同时垂直的轴同时垂直的y y轴称为轴称为机械轴机械轴。

4、纵纵向向压压电电效效应应：把把沿沿电电轴轴x x方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电电效效应称为应称为“纵向压电效应纵向压电效应”；横横向向压压电电效效应应：把把沿沿机机械械轴轴y y方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电电效效应应称为称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴而沿光轴z z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力作用时不产生压电效应。2022/9/186第6页，共77页，编辑于2022年，星期二(a)晶体外形晶体外形 (b)切割方向切割方向 (c)晶片晶片 石英晶体石英晶体2022/9/187第7页，共77页，编辑于2022年，星期二天然形成的

5、石英晶体外形天然形成的石英晶体外形2022/9/188第8页，共77页，编辑于2022年，星期二天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形 2022/9/189第9页，共77页，编辑于2022年，星期二石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装2022/9/1810第10页，共77页，编辑于2022年，星期二纵纵向向压压电电效效应应:若若从从晶晶体体上上沿沿y y方方向向切切下下一一块块晶晶片片，沿沿电电轴轴方方向向施加作用力施加作用力F F1 1时时，在与电轴，在与电轴x x垂直的平面上将产生电荷，其大小为垂直的平面上将产生电荷，其大小为 式中

6、，式中，d d1111为为x x方向受力的压电系数。方向受力的压电系数。横横向向压压电电效效应应:若若在在同同一一切切片片上上，沿沿机机械械轴轴方方向向施施加加作作用用力力F F2 2时时，则仍在与则仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为轴垂直的平面上产生电荷，其大小为 式中，式中，d d1212为为y y方向受力的压电系数，其中方向受力的压电系数，其中d d1212=-=-d d1111。2022/9/1811第11页，共77页，编辑于2022年，星期二(a)不受力时不受力时 (b)x轴方向受力轴方向受力 (c)y轴方向受力轴方向受力石英晶体压电模型石英晶体压电模型注：电偶极矩注：电偶

7、极矩P=ql2022/9/1812第12页，共77页，编辑于2022年，星期二切切 向向 效效 应应2022/9/1813第13页，共77页，编辑于2022年，星期二 石英晶体压电效应原理石英晶体压电效应原理:（a）石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时，P P1 1+P P2 2+P P3 3=0=0，所所以以晶晶体体表表面面不不产产生生电电荷荷，即呈中性。即呈中性。（b）石石英英晶晶体体受受到到沿沿x x轴轴方方向向的的压压力力作作用用时时，在在x x轴轴的的正正方方向向出出现现负负电电荷，电偶极矩在荷，电偶极矩在y y方向上的方向上的分量分量仍为零，不出现电荷。仍为零，不出现电荷。

8、（c）石石英英晶晶体体受受到到沿沿y轴轴方方向向的的压压力力作作用用时时，在在x轴轴的的正正向向出出现现正正电荷，电偶极矩在电荷，电偶极矩在y方向上的方向上的分量分量仍为零，不出现电荷。仍为零，不出现电荷。（d）石英晶体沿石英晶体沿z轴方向施加作用力时轴方向施加作用力时，晶体不会产生压电效应。，晶体不会产生压电效应。（e）当作用力）当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。的方向相反时，电荷的极性也随之改变。2022/9/1814第14页，共77页，编辑于2022年，星期二石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示2022/9/1815第15页，共77页，编辑于2022年，星期二

9、 优点：优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能非常好，性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能非常好，绝缘阻抗一般大于绝缘阻抗一般大于1012。缺点：缺点：石英晶体的压电系数比压电陶瓷小的多，且价石英晶体的压电系数比压电陶瓷小的多，且价格较贵，所以压电石英一般用于制作标准仪器或要求格较贵，所以压电石英一般用于制作标准仪器或要求较高的传感器。较高的传感器。压电石英特性：压电石英特性：2022/9/1816第16页，共77页，编辑于2022年，星期二 二、压电陶瓷二、压电陶瓷压电陶瓷：压电陶瓷：是是人工制造人工制造的多晶体压电材料，压电系数高。的多晶体压电材料，压电系数高。人人工工极极化化：材材料料内

10、内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴，在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈中性，中性，不具有压电性质不具有压电性质。在在强强直直流流极极化化电电场场作作用用下下，电电畴畴的的极极化化方方向向依依外外电电场场方方向向充充分分排排列列。在在撤撤消消极极化化电电场场后后，压压电电陶陶瓷瓷内内部部仍仍存存有有很很强强的的剩剩余余极极化化强强度度，这时的材料，这时的材料才具有压电特性才具有压电特性。2

11、022/9/1817第17页，共77页，编辑于2022年，星期二(a)(a)未极化未极化 (b)(b)电极化电极化 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化2022/9/1818第18页，共77页，编辑于2022年，星期二压电陶瓷外形压电陶瓷外形 2022/9/1819第19页，共77页，编辑于2022年，星期二无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）（上海硅酸盐研究所研制）2022/9/1820第20页，共77页，编辑于2022年，星期二压电陶瓷的正压电效应：压电陶瓷的正压电效应：式中，式中，d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F作用力。作用力。优点：优

12、点：压电陶瓷的压电陶瓷的压电系数压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高灵敏度较高。2022/9/1821第21页，共77页，编辑于2022年，星期二钛钛酸酸钡钡（BaTiO3），它它的的压压电电系系数数约约为为石石英英的的50倍倍，但但居居里里点点温温度度只只有有115，使使用用温温度度不不超超过过70，温温度度稳稳定定性性和和机机械械强强度度都都不如石英。不如石英。锆锆钛钛酸酸铅铅（PZT）系系列列，居居里里点点在在300以以上上，性性能能稳稳定定，有有较较高的介电常数和压电系数。高的介电常数和压电系

13、数。铌铌镁镁酸酸铅铅：20世世纪纪60年年代代发发展展起起来来的的压压电电陶陶瓷瓷，具具有有极极高高的的压压电电系系数数和和较较高高的的工工作作温温度度，而而且且能能承承受受较较高高的压力。的压力。压电陶瓷材料：压电陶瓷材料：2022/9/1822第22页，共77页，编辑于2022年，星期二1 1、某些合成高分子、某些合成高分子聚合物聚合物经延展拉伸和电极化处理而成，经延展拉伸和电极化处理而成，如如聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)PVDF)；2 2、高分子化合物中参杂、高分子化合物中参杂PZTPZT和和BaTiO3BaTiO3粉末制成薄膜。粉末制成薄膜。优点：优点：有机高分子压电材料的独特

14、优点是有机高分子压电材料的独特优点是质轻柔软、质轻柔软、抗拉强度高，便于批量生产和大面积使用，可制作大面抗拉强度高，便于批量生产和大面积使用，可制作大面积阵列传感器。积阵列传感器。三、有机高分子压电材料三、有机高分子压电材料2022/9/1823第23页，共77页，编辑于2022年，星期二高分子高分子压电薄膜压电薄膜及拉制及拉制 2022/9/1824第24页，共77页，编辑于2022年，星期二 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 2022/9/1825第25页，共77页，编辑于2022年，星期二基基本本原原理理：利利用用压压电电材材料料的的压压电电效效应应，

15、即即当当有有力力作作用用在在压压电电材材料料上上时时，传感器就有传感器就有电荷电荷（或（或电压电压）输出。）输出。应应用用领领域域：由由于于外外力力作作用用而而在在压压电电材材料料上上产产生生的的电电荷荷只只有有在在无无泄泄漏漏的的情情况况下下才才能能保保存存，即即需需要要测测量量回回路路具具有有无无限限大大的的输输入入阻阻抗抗，这这实实际际上上是是不不可可能能的的，因因此此压压电电式式传传感感器器不不能能用用于于静静态态测测量量。压压电电材材料料在在交交变变力力的的作作用用下下，电电荷荷可可以以不不断断补补充充，以以供供给给测测量量回回路路一一定定的的电流，故电流，故适用于动态测量适用于动态

16、测量。四、压电式传感器四、压电式传感器2022/9/1826第26页，共77页，编辑于2022年，星期二(a)相同极性端粘结相同极性端粘结 (b)不同极性端粘结不同极性端粘结 （电学并联）（电学并联）（机械串联、电学串联）（机械串联、电学串联）压电元件组成压电传感器的连接方式压电元件组成压电传感器的连接方式2022/9/1827第27页，共77页，编辑于2022年，星期二并并联联接接法法：输输出出电电荷荷大大，本本身身电电容容大大，时时间间常常数数大大，适适宜宜用用在在测测量慢变信号，量慢变信号，并且以并且以电荷作为输出量电荷作为输出量的场合。的场合。串串联联接接法法：输输出出电电压压大大，本

17、本身身电电容容小小，时时间间常常数数小小，适适宜宜用用于于以以电压作输出量电压作输出量，并且测量电路，并且测量电路输入阻抗输入阻抗很高的场合。很高的场合。压压电电式式传传感感器器中中的的压压电电元元件件，按按其其受受力力和和变变形形方方式式不不同同，大大致致有有厚厚度度变变形形、长长度度变变形形、体体积积变变形形和和厚厚度度剪剪切切变变形形等等几几种种形形式式。目目前前最最常使用的是常使用的是厚度变形的压缩式厚度变形的压缩式和和剪切变形剪切变形的的剪切式剪切式两种。两种。2022/9/1828第28页，共77页，编辑于2022年，星期二(a)(a)厚度变形厚度变形(TE)(b)(TE)(b)长

18、度变形长度变形(LE)(c)(LE)(c)体积变形体积变形(VE)(VE)(d)(d)面切变形面切变形(FS)(e)(FS)(e)剪切变形剪切变形(TS)(TS)压电元件变形方式压电元件变形方式2022/9/1829第29页，共77页，编辑于2022年，星期二压电传感器的预载：压电传感器的预载：（1 1）消除低压力使用中的非线性；）消除低压力使用中的非线性；（2 2）消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。）消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。（3 3）只只有有在在加加预预载载后后,才才能能用用压压电电传传感感器器测测量量拉拉力力和和拉拉、压压交交变力及剪力和扭矩。变力及剪力和扭矩。202

19、2/9/1830第30页，共77页，编辑于2022年，星期二5.2 5.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 一、压电式传感器的等效电路一、压电式传感器的等效电路 由由压压电电元元件件的的工工作作原原理理可可知知，压压电电式式传传感感器器可可以以看看作作一一个个电电荷荷发发生生器器。同同时时，它它也也是是一一个个电电容容器器，晶晶体体上上聚聚集集正正负负电电荷荷的的两两表表面面相相当当于于电电容容的的两两个个极极板板，极极板板间间物物质质等等效效于于一一种种介介质，质，则其电容量为则其电容量为 2022/9/1831第31页，共77页，编辑于2022年，星期二（a）电压源电压源 （b）

20、电荷源电荷源压电元件的等效电路压电元件的等效电路2022/9/1832第32页，共77页，编辑于2022年，星期二电电压压等等效效电电路路：压压电电传传感感器器可可以以等等效效为为一一个个与与电电容容相相串串联联的的电电压源压源。电荷等效电路电荷等效电路：压电传感器也可以等效为一个与电容相并联的：压电传感器也可以等效为一个与电容相并联的电荷源电荷源。2022/9/1833第33页，共77页，编辑于2022年，星期二输出端电压输出端电压:电压灵敏度电压灵敏度:输出端电荷输出端电荷:电荷灵敏度电荷灵敏度:2022/9/1834第34页，共77页，编辑于2022年，星期二压压电电传传感感器器在在实实

21、际际使使用用时时总总要要与与测测量量仪仪器器或或测测量量电电路路相相连连接接，因因此此还还需需考考虑虑连连接接电电缆缆的的等等效效电电容容C Cc c，放放大大器器的的输输入入电电阻阻R Ri i ，输输入入电电容容C Ci i以以及及压压电电传传感感器器的的等等效效电电容容C Ca a，绝绝缘缘电电阻阻R Ra a。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示。2022/9/1835第35页，共77页，编辑于2022年，星期二（a）电压源电压源 （b）电荷源电荷源 压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路2022/9/1836

22、第36页，共77页，编辑于2022年，星期二由于压电效应产生的电荷量很小，达到由于压电效应产生的电荷量很小，达到级电流。因此测量电路要求级电流。因此测量电路要求:1.前置放大器不仅有足够的放大倍数前置放大器不仅有足够的放大倍数;2.而且而且,还需要有极高的输入阻抗还需要有极高的输入阻抗.二、测二、测 量量 电电 路：路：2022/9/1837第37页，共77页，编辑于2022年，星期二 二、测量电路：二、测量电路：电压放大器电压放大器和和电荷放大器电荷放大器。1.1.电压放大器电压放大器 电阻电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容，电容C=Cc+Ci，而，而ua=q/Ca，若压电元，若压电元件

23、件受正弦力受正弦力 f=Fm sint 的作用，则其电压为的作用，则其电压为 式中，式中，U Um m压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U Um m=dFdFm m/C Ca a；d d压电系数。压电系数。2022/9/1838第38页，共77页，编辑于2022年，星期二（a）放大器电路）放大器电路 （b）等效电路）等效电路电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua2022/9/1839第39页，共77页，编辑于2022年，星期二由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为

24、，其复数形式为.Ui的幅值的幅值Uim为为.输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 2022/9/1840第40页，共77页，编辑于2022年，星期二在在理理想想情情况况下下，传传感感器器的的Ra电电阻阻值值与与前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻Ri都都为为无无限限大大，即即(Ca+Cc+Ci)R1，那那么么由由式式可可知知，理理想想情情况况下下输输入入电电压压幅值幅值Uim为为 式中，式中，Cc为连接电缆电容为连接电缆电容。因此，压电传感器与前置放大器之间连接。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆电缆不能不能随意更换，否则将影响灵敏度，引入测量误差。随意更换，否则将影

25、响灵敏度，引入测量误差。2022/9/1841第41页，共77页，编辑于2022年，星期二2022/9/1842第42页，共77页，编辑于2022年，星期二w t=0 时，即作用在压电传感器上的力是静态力时，前置放大器的时，即作用在压电传感器上的力是静态力时，前置放大器的输入电压为输入电压为0。这是因为实际上放大器的输入阻抗不可能为无穷大，。这是因为实际上放大器的输入阻抗不可能为无穷大，而压电传感器也不能绝对绝缘，因此产生的电荷就会通过放大器的而压电传感器也不能绝对绝缘，因此产生的电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄露电阻漏掉。这就从原理上说明了输入电阻和传感器本身的泄露电阻漏掉。这就

26、从原理上说明了压电压电式传感器不能测量静态物理量式传感器不能测量静态物理量。当当w t=3 时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的时，可以近似看作放大器的输入电压与作用力的频率无关。在时间常数频率无关。在时间常数 一定的条件下，被测物理量的变化一定的条件下，被测物理量的变化频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说明频率越高，则放大器的输入电压越接近理想情况。说明压电压电传感器具有良好的高频响应特性传感器具有良好的高频响应特性。2022/9/1843第43页，共77页，编辑于2022年，星期二 2.2.电荷放大器电荷放大器(常用常用)电电荷荷放放大大器器常常作作为为压压电电传传感感器器

27、的的输输入入电电路路，由由一一个个反反馈馈电电容容C Cf f和和高高增增益益运运算算放放大大器器构构成成。由由于于运运算算放放大大器器输输入入阻阻抗抗极极高高，放放大大器器输输入入端端几几乎乎没有分流没有分流，故可略去，故可略去R Ra a和和R Ri i并联电阻。并联电阻。电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路2022/9/1844第44页，共77页，编辑于2022年，星期二由运算放大器基本特性（密勒电容：将由运算放大器基本特性（密勒电容：将Cf等效到等效到A0 的输入端），的输入端），可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压通常通常A=104108,Cf=100pF,Ca=10

28、0pF。当满足当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，可表示为时，可表示为 由式可见，由式可见，电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压uo只取决于只取决于输入电荷与反馈输入电荷与反馈电容电容Cf，与电缆电容，与电缆电容Cc无关，且与无关，且与q成正比，这是电荷放大器的成正比，这是电荷放大器的最大特点。最大特点。2022/9/1845第45页，共77页，编辑于2022年，星期二电压放大器作为测量电路的传感器灵敏度为电压放大器作为测量电路的传感器灵敏度为问题：电荷放大器作为测量电路的传感器灵敏度？问题：电荷放大器作为测量电路的传感器灵敏度？3 测量电路的传感器灵敏度测量电路的传感器灵敏度2022

29、/9/1846第46页，共77页，编辑于2022年，星期二四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .2022/9/1847第47页，共77页，编辑于2022年，星期二超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标主要指标:灵灵 敏敏 度：度：1 1、1010、100mV/pC(100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围：频率范围：0.30.3100KHz(100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV1mV归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整线性误差：线性误差：1%1%最大输出：最大输出：5V5V或或10V10V 电电源：源

30、：6V6V15V15V 特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统2022/9/1848第48页，共77页，编辑于2022年，星期二7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电传感器可以直接用于测力或测量压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关与力有关的压力、位移、振动加速度等。的压力、位移、振动加速度等。2022/9/1849第49页，共77页，编辑于2022年，星期二7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 2 2、变形方式、变形方式厚度伸缩：纵向压电效应厚度伸缩：纵向压电效应长度伸缩：横向压电效应长度伸缩：横向压电效应厚度切变：剪切压电效应厚度切变：剪切压电效

31、应长宽切变：面切压电效应长宽切变：面切压电效应体积压缩：纵横向压电效应体积压缩：纵横向压电效应2022/9/1850第50页，共77页，编辑于2022年，星期二7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 3、组合形式、组合形式结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等元件数目分：单晶片、双晶片和多晶片元件数目分：单晶片、双晶片和多晶片极性方式分：串联、并联极性方式分：串联、并联2022/9/1851第51页，共77页，编辑于2022年，星期二4、应用特点、应用特点1）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单，牢固，）灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单，牢固

32、，可靠性好，寿命长；可靠性好，寿命长；2）体积小，重量轻，刚度，强度，承载能力和测量范围）体积小，重量轻，刚度，强度，承载能力和测量范围大，动态相应频带宽，动态误差小；大，动态相应频带宽，动态误差小；3）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适于近）易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适于近测、遥测；测、遥测；2022/9/1852第52页，共77页，编辑于2022年，星期二压电传感器工作原理图压电传感器工作原理图2022/9/1853第53页，共77页，编辑于2022年，星期二 一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器压压电电式式加加速速度度传传感感器器主主要要由由压压电电元元

33、件件、质质量量块块、预预压压弹弹簧簧、基基座座及及外外壳等组成。整个部件装在外壳内，由螺栓加以固定。壳等组成。整个部件装在外壳内，由螺栓加以固定。压电式加速度传感器结构图压电式加速度传感器结构图 7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 2022/9/1854第54页，共77页，编辑于2022年，星期二 当当加加速速度度传传感感器器和和被被测测物物一一起起受受到到冲冲击击振振动动时时，压压电电元元件件受受质质量量块块惯惯性性力力的的作作用用，根根据据牛牛顿顿第第二二定定律律，此此惯惯性性力力是是加加速速度的函数，度的函数，即即 F=maq=d11F=d11ma 因此，测得加速度传感器输出的

34、电荷便可知加速度的大小。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器2022/9/1855第55页，共77页，编辑于2022年，星期二倒装中心压缩式倒装中心压缩式一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器2022/9/1856第56页，共77页，编辑于2022年，星期二隔离预载筒压缩式隔离预载筒压缩式双筒双屏蔽结构，双筒双屏蔽结构，外壳有屏蔽作用，外壳有屏蔽作用，内预紧套筒也有屏蔽作内预紧套筒也有屏蔽作用用一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器2022/9/1857第57页，共77页，编辑于2022年，星期二剪切型剪切型多采用极化压电

35、陶瓷作为压电转换元件。多采用极化压电陶瓷作为压电转换元件。中空圆柱形如图中空圆柱形如图。结构简单、轻巧，灵敏度高。结构简单、轻巧，灵敏度高。1壳体壳体2质量块质量块3压电元件压电元件4基座基座5引线接头引线接头2022/9/1858第58页，共77页，编辑于2022年，星期二二、二、压电式测力传感器压电式测力传感器 压压电电式式单单向向测测力力传传感感器器主主要要由由石石英英晶晶片片、绝绝缘缘套套、电电极极、上上盖盖及基座等组成。及基座等组成。压力式压力式单向单向测力传感器结构图测力传感器结构图 7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 2022/9/1859第59页，共77页，编辑于20

36、22年，星期二安装差异及基座应变安装差异及基座应变实际应用中对压电传感器安装的要求依据：实际应用中对压电传感器安装的要求依据：传感器与试件系统的安装谐振频率传感器与试件系统的安装谐振频率 传感器本身的固有频率传感器本身的固有频率 传感器和被测试件的质量传感器和被测试件的质量2022/9/1860第60页，共77页，编辑于2022年，星期二安装差异及基座应变安装差异及基座应变1.保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到破坏，保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到破坏，以避免横向灵敏度的产生。为此，安装接触面要求有高的平行以避免横向灵敏度的产生。为此，安装接触面要求有高的平行

37、度，平直度和低的粗糙度。度，平直度和低的粗糙度。2.根据承载能力和频响特性所要求安装谐振频率，选择适当根据承载能力和频响特性所要求安装谐振频率，选择适当的安装方式。的安装方式。3.对刚度、质量和接触面小的试件，只能用微小型电传感器测量。对刚度、质量和接触面小的试件，只能用微小型电传感器测量。2022/9/1861第61页，共77页，编辑于2022年，星期二 噪噪 声声1.声噪声：压电传感器在强声中工作将受到声噪声：压电传感器在强声中工作将受到声波声波振动振动激励而产生寄电信号输出，谓之声噪声。激励而产生寄电信号输出，谓之声噪声。2.电缆噪声：同轴电缆在振动或弯曲变形时，电缆屏蔽电缆噪声：同轴电

38、缆在振动或弯曲变形时，电缆屏蔽层、绝缘层和芯线间将引起局部相对滑移摩擦和分层、绝缘层和芯线间将引起局部相对滑移摩擦和分离，而在离，而在分离层分离层之间产生的之间产生的静电感应电荷干扰静电感应电荷干扰，它，它将混入信号中被放大。将混入信号中被放大。2022/9/1862第62页，共77页，编辑于2022年，星期二减小电缆噪声的方法：减小电缆噪声的方法：1 是在使用中固定好传感器的引出电缆是在使用中固定好传感器的引出电缆2 是选用低噪声同轴电缆是选用低噪声同轴电缆接地回路噪声：压电传感器接地回路噪声：压电传感器接入接入二次测量线路二次测量线路或仪表而构成或仪表而构成测试系统后，由于测试系统后，由于

39、不同电位处不同电位处的的多接地点多接地点，形成了接地回路，形成了接地回路和回路电流所致。和回路电流所致。克服途径：消除接地回路。克服途径：消除接地回路。2022/9/1863第63页，共77页，编辑于2022年，星期二 三、压电式玻璃破碎报警器三、压电式玻璃破碎报警器 将将高分子高分子压电测振压电测振薄膜薄膜粘贴在玻粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。警系统。适应于文物保管，贵重商品保管等。适应于文物保管，贵重商品保管等。7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 2022/9/186

40、4第64页，共77页，编辑于2022年，星期二 制作及原理：制作及原理：将将 厚厚 约约 0.2mm0.2mm左左 右右 的的 PVDFPVDF薄薄 膜膜裁裁制制成成1010 20mm20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极，再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线线。并并用保护膜覆盖。用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其使用时，用瞬干胶将其粘贴粘贴在玻璃上。在玻璃上。当玻璃遭暴力当玻璃遭暴力打碎打碎的瞬间，的瞬间，压电薄膜压电薄膜感感受到剧烈振动，表面产生电荷受到剧烈振动，表面产生电荷Q Q ，在两，在两个

41、输出引脚之间产生个输出引脚之间产生窄脉冲窄脉冲报警信号。报警信号。7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 2022/9/1865第65页，共77页，编辑于2022年，星期二 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 图图3是是利利用用压压电电陶陶瓷瓷传传感感器器测测量量刀刀具具切切削削力力的的示示意意图图。由由于于压压电陶瓷元件的电陶瓷元件的自振频率高自振频率高，特别适合测量，特别适合测量变化变化剧烈的载荷。剧烈的载荷。图图中中压压电电传传感感器器位位于于车车刀刀前前部部的的下下方方，当当进进行行切切削削加加工工时时，切切削削力力通通过过刀刀具具传传给给压压电电传传感感器器，压压

42、电电传传感感器器将将切切削削力力转转换换为为电电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。7.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 2022/9/1866第66页，共77页，编辑于2022年，星期二图图3 压电式刀具切削力测量示意图压电式刀具切削力测量示意图 2022/9/1867第67页，共77页，编辑于2022年，星期二 BS-D2压压电电式式传传感感器器是是专专门门用用于于检检测测玻玻璃璃破破碎碎的的一一种种传传感感器器，它它利利用用压压电电元元件件对对振振动动敏敏感感的的特特性性来来感感知知玻玻璃璃受受撞撞击击和和破破碎碎时

43、时产产生生的的振振动动波波。传传感感器器把把振振动动波波转转换换成成电电压压输输出出，输输出出电电压压经经放大、滤波、比较放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。等处理后提供给报警系统。BS-D2压压电电式式玻玻璃璃破破碎碎传传感感器器的的外外形形及及内内部部电电路路如如图图4所所示示。传感器的最小输出电压为传感器的最小输出电压为100mV，内阻抗为，内阻抗为1520 k。压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器2022/9/1868第68页，共77页，编辑于2022年，星期二报报警警器器的的电电路路框框图图如如图图5所所示示。使使用用时时传传感感器器用用胶胶粘粘贴贴在在玻玻璃璃上上，然然后通

44、过电缆和报警电路相连。后通过电缆和报警电路相连。为为了了提提高高报报警警器器的的灵灵敏敏度度，信信号号经经放放大大后后，需需经经带带通通滤滤波波器器进进行行滤滤波波，要要求求它它对对选选定定的的频频谱谱通通带带的的衰衰减减要要小小，而而频频带带外外衰衰减减要要尽尽量量大大。由由于于玻玻璃璃振振动动的的波波长长在在音音频频和和超超声声波波的的范范围围内内，这这就就使使滤滤波波器器成成为为电电路路中中的的关关键键。只只有有当当传传感感器器输输出出信信号号高高于于设设定定的的阈阈值值时时，才才会会输输出出报报警警信信号号，驱驱动动报报警警执执行行机机构构工作。工作。玻玻璃璃破破碎碎报报警警器器可可广

45、广泛泛用用于于文文物物保保管管、贵贵重重商商品品保保管管及及其其它商品柜台保管等场合。它商品柜台保管等场合。2022/9/1869第69页，共77页，编辑于2022年，星期二图图5 压电式玻璃破碎报警器电路框图压电式玻璃破碎报警器电路框图 传感器的阻抗较高，故放大器之前可加一级跟随器，放大后的信号经过传感器的阻抗较高，故放大器之前可加一级跟随器，放大后的信号经过一带通滤一带通滤器器，将有用信号与电压比较器的阀值电压比较，将有用信号与电压比较器的阀值电压比较，以防止其它振动输入而造成误报以防止其它振动输入而造成误报。经经比较器比较器后的信号经驱动电路来带动继电器、报警器或其它装置。后的信号经驱动

46、电路来带动继电器、报警器或其它装置。2022/9/1870第70页，共77页，编辑于2022年，星期二四、四、压电式周界报警系统压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将长的将长的压电压电电缆埋在泥土的浅表层，电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下可起分布式地下麦克风麦克风或听音器或听音器的作用，可在的作用，可在几十米几十米范围内探测范围内探测人的步行人的步行,对轮式或履带式车辆对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。来。右图为测量系统的输出波形。2022/9/1871第71页，

47、共77页，编辑于2022年，星期二 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。机场滑行道等。2022/9/1872第72页，共77页，编辑于2022年，星期二高分子压电电缆高分子压电电缆的应用演示的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋

48、设于柏油公路的路面下约约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。内部的档案数据，判定汽车的车型。2022/9/1873第73页，共77页，编辑于2022年，星期二 压电式执行器的应用压电式执行器的应用对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究，对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究，设计一种可微机控制的数字高压信号源作为电压设计一种可微机控制的数字高压信号源作为电压调节器、调节器、压电陶瓷压电陶瓷作为驱动器的精密作为驱动器的精密微动微动装置。装置。2022/9/1874第74页，共77页

49、，编辑于2022年，星期二三个自由度压电微执行器三个自由度压电微执行器 压电式执行器的应用压电式执行器的应用管道机器人的足式压电微执行器管道机器人的足式压电微执行器 2022/9/1875第75页，共77页，编辑于2022年，星期二压电微执行器进行细胞操作压电微执行器进行细胞操作 压电微执行器用于光纤对接压电微执行器用于光纤对接 2022/9/1876第76页，共77页，编辑于2022年，星期二思考题1.用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的用压电式传感器能测量静态或变化很缓慢的信号吗？为什么？信号吗？为什么？答：答：(1)由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压压电元件电元件经测量电路的经测量电路的漏失减小漏失减小到足够小的程度；到足够小的程度；(2)而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。2022/9/1877第77页，共77页，编辑于2022年，星期二