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1、压电式压力传感器压电式压力传感器第1页，共60页，编辑于2022年，星期五1压电效应压电效应 Piezoelectric Effect n雅克居里（Jacques Curie）（1856年10月29日-1941年），法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。n皮埃尔居里(Pierre Curie)(1859-1906)居里兄弟居里兄弟第2页，共60页，编辑于2022年，星期五n他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。n1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。n1882年，他们证实了李普曼(GLi
2、ppmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。n利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计居里计。第3页，共60页，编辑于2022年，星期五某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为状态，这种现象被称为压电效应压电效应。当作用力方向改变时，。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能
3、的现象称为电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。F F F FF FF F 1压电效应压电效应 Piezoelectric Effect 第4页，共60页，编辑于2022年，星期五反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸缩
4、效应电致伸缩效应”。逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应第5页，共60页，编辑于2022年，星期五纵轴纵轴Z Z称为光轴称为光轴，通过，通过六棱线而垂直于光铀六棱线而垂直于光铀的的X X铀称为电轴铀称为电轴，与，与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 (垂直于六棱柱垂直于六棱柱体的棱面体的棱面)称为称为机械轴机械轴。1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的晶轴石英晶体的晶轴第6页，共60页，编辑于2022年，星期五（a a）y yx xz zOOx xa az zy yb bc c（b b）把
5、沿电轴把沿电轴(X(X轴轴)方向的作用力产生的方向的作用力产生的压电效应称为压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”把沿机械轴把沿机械轴(Y(Y轴轴)方向的作用力产生方向的作用力产生的压电效应称为的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”沿光轴沿光轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产生方向的作用力不产生压电效应压电效应压电式传感器主要是利用压电式传感器主要是利用纵向压电效纵向压电效应应1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应第7页，共60页，编辑于2022年，星期五硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图(a a)x xy y(b b)+x xy y+-石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压
6、电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理第8页，共60页，编辑于2022年，星期五当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P P1、P P2、P P3。(a a)F Fx x=0=0 x xy y+P P1 1P P2 2P P3 3-+-因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。第9页，共60页，编辑于2022年，星期五当晶体受到沿x方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对
7、位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x 方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x0(b b)F Fx x0 0 x x+F Fx xy y+-F Fx x-P P1 1P P2 2P P3 3-+-+-在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0第10页，共60页，编辑于2022年，星期五当晶体受到沿x方向的拉力作用时，电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1+P2+P3)x0 (P1+P2+P3)y=0 (P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方
8、向依然不出现电荷。(c c)F Fx x1012最高允许温度()80250250350常用压电晶体和压电陶瓷材料特性常用压电晶体和压电陶瓷材料特性 第28页，共60页，编辑于2022年，星期五一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式（1 1）并联：）并联：）并联：）并联：（2 2）串联：）串联：）串联：）串联：2 等效电路和测量电路等效电路和测量电路第29页，共60页，编辑于2022年，星期五当当压压电电晶晶体体承承受受应应力力作作用用时时，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。故故可可把把压压
9、电电传传感感器器看看成成一一个个电电荷荷源源与与一一个个电电容容并并联联的的电电荷发生器，其电容量为：荷发生器，其电容量为：(a a)q qC Ca a二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路第30页，共60页，编辑于2022年，星期五电荷量、电压、电容的关系为电荷量、电压、电容的关系为 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个和一个电容器电容器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图(b)。U Ua aC Ca a(b b)二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路第31页，共60页，编辑于2022年，星期五实际使用时，压电传感器通过导线与测量
10、仪器相连接，连接实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导导导导线的等效电容线的等效电容线的等效电容线的等效电容C CC C、前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻前置放大器的输入电阻R Ri i、输入电容输入电容输入电容输入电容C Ci i对对对对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘压电元件的绝缘压电元件的绝缘压电元件的绝缘电阻
11、电阻电阻电阻R Ra a以后，压电传感器完整的等效电路以后，压电传感器完整的等效电路以后，压电传感器完整的等效电路以后，压电传感器完整的等效电路 压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路 （a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路第32页，共60页，编辑于2022年，星期五值得注意的是：值得注意的是：1 1、利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一、利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一、利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一、利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电
12、晶片上经测量电路的漏失减小到足定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。动态测量。动态测量。
13、动态测量。2 2、前置放大器的作用：、前置放大器的作用：、前置放大器的作用：、前置放大器的作用：（1 1）放大）放大）放大）放大 （2 2）阻抗转换）阻抗转换）阻抗转换）阻抗转换电压放大器电压放大器电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器第33页，共60页，编辑于2022年，星期五1、电压放大器、电压放大器第34页，共60页，编辑于2022年，星期五输入端电压：输入端电压：输入端电压：输入端电压：1、电压放大器、电压放大器第35页，共60页，编辑于2022年，星期五放大器输入端电压幅值：放大器输入端电压幅值：放大器输入端电压幅值：放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相
14、位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：输入电压与作用力间的相位差：1、电压放大器、电压放大器第36页，共60页，编辑于2022年，星期五时间常数时间常数时间常数时间常数1、电压放大器、电压放大器系统固有频率系统固有频率系统固有频率系统固有频率系统高频灵敏度系统高频灵敏度系统高频灵敏度系统高频灵敏度第37页，共60页，编辑于2022年，星期五由运算放大器构成的电压比例放大器由运算放大器构成的电压比例放大器由运算放大器构成的电压比例放大器由运算放大器构成的电压比例放大器第38页，共60页，编辑于2022年，星期五2、电荷放大器、电荷放大器电荷放大器原理图电荷放大器原理图第3
15、9页，共60页，编辑于2022年，星期五电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器的的的的输输输输出出出出电电电电压压压压u u u uo o o o只只只只取取取取决决决决于于于于输输输输入入入入电电电电荷荷荷荷与与与与反反反反馈馈馈馈电电电电容容容容C C C Cf f f f，与与与与电电电电缆缆缆缆电电电电容容容容C C C Cc c c c无无无无关关关关，且且且且与与与与q q q q成成成成正正正正比比比比，因因因因此此此此，采采采采用用用用电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器时时时时，即即即即使使使使连连连连接接接接电电电电缆缆缆缆长长长长度度度度在在在在百百百百米米米米以以
16、以以上上上上，其其其其灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度也也也也无无无无明明明明显显显显变变变变化化化化，这这这这是是是是电荷放大器的最大特点。电荷放大器的最大特点。电荷放大器的最大特点。电荷放大器的最大特点。第40页，共60页，编辑于2022年，星期五例例例例1 1：压电式测力传感器压电式测力传感器压电式测力传感器压电式测力传感器压电式三向力传感器压电式三向力传感器压电式三向力传感器压电式三向力传感器3 压电传感器的应用压电传感器的应用第41页，共60页，编辑于2022年，星期五电极结构电极结构电极结构电极结构预紧力预紧力预紧力预紧力例例2：压电式压力传感器压电式压力传感器第42页，共60页，编辑于2
17、022年，星期五压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置破甲弹破甲弹破甲弹破甲弹例例3：压电引信：压电引信http:/ h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度加速度加速度加速度产品产品产品产品例例4：冲击试验台的标定和检测：冲击试验台的标定和检测第44页，共60页，编辑于2022年，星期五事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、
18、气体发生剂、气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体例例5：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统第45页，共60页，编辑于2022年，星期五密封容器压力测试法密封容器压力测试法密封容器压力测试法密封容器压力测试法例例6：气体发生器输出特性测试气体发生器输出特性测试第46页，共60页，编辑于2022年，星期五加速度加速度加速度加速度 160 ug 10 g160 ug 10 g速度速度速度速度 0.4 80 cm/s0.4 80 cm/s振幅振幅振幅振幅 4 um 8 cm4 um 8 cm转换开关转换开关转换开关转换开关S SA A：V V：D D：积分：振动速度
19、、幅值积分：振动速度、幅值积分：振动速度、幅值积分：振动速度、幅值例例7：振动测量仪：振动测量仪第47页，共60页，编辑于2022年，星期五例例8：压电式血压传感器压电式血压传感器第48页，共60页，编辑于2022年，星期五例例9：指套式电子血压计：指套式电子血压计第49页，共60页，编辑于2022年，星期五例例10：玻璃破碎报警器：玻璃破碎报警器第50页，共60页，编辑于2022年，星期五第51页，共60页，编辑于2022年，星期五例例11：水深测量仪：水深测量仪第52页，共60页，编辑于2022年，星期五声表面波传感器声表面波传感器声表面波传感器声表面波传感器延迟时间延迟时间延迟时间延迟时
20、间SAWSAW振子：振子：振子：振子：LCLC谐振回路谐振回路谐振回路谐振回路振动频率振动频率振动频率振动频率例例12：逆压电效应的应用：逆压电效应的应用第53页，共60页，编辑于2022年，星期五结冰现象的危害：结冰现象的危害：结冰现象的危害：结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度结冰状况监测：是否
21、结冰、冰层厚度结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：三电极片式压电器件：三电极片式压电器件：三电极片式压电器件：三电极片式压电器件：例例13：用于结冰状况监测的冰传感器：用于结冰状况监测的冰传感器第54页，共60页，编辑于2022年，星期五电极电极电极电极 1 1、2 2 间加交变电压：间加交变电压：间加交变电压：间加交变电压：压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统的谐振频率：的谐振频率：的谐振频率：的谐振频
22、率：等效刚度等效刚度等效刚度等效刚度 等效质量等效质量等效质量等效质量冰层检测原理：冰层检测原理：冰层检测原理：冰层检测原理：极板极板极板极板 1 1 上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；极板极板极板极板 1 1 上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。冰层越厚：刚度增加
23、越大，谐振频率越大。冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。三电极压电元件：三电极压电元件：三电极压电元件：三电极压电元件：T T 型型型型 LC LC 三端元件，构成振荡电路。三端元件，构成振荡电路。三端元件，构成振荡电路。三端元件，构成振荡电路。第55页，共60页，编辑于2022年，星期五1 1、“基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器基于压电器件的冰传感器”，仪表技术与传感仪表技术与传感仪表技术与传感仪表技术与传感 器器器器，20012001年年年年9 9期期期期参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：2 2、“压电式振动给料器的研制压电式振动给料器的研制压电式
24、振动给料器的研制压电式振动给料器的研制”，传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术，20012001年年年年4 4期期期期第56页，共60页，编辑于2022年，星期五有一压电晶体，其面积为有一压电晶体，其面积为20mm2，厚度为，厚度为10mm，当受到压力，当受到压力P=10MPa作用时，求作用时，求产生的电荷量及输出电压：产生的电荷量及输出电压：(1)零度零度X切的纵向石英晶体；切的纵向石英晶体；(2)利用纵向效应的利用纵向效应的BaTiO3。第57页，共60页，编辑于2022年，星期五某压电晶体的电容为某压电晶体的电容为1000pF，kq=2.5C/cm，电缆电容电缆电容CC=3000pF
25、，示波器的输入阻抗为，示波器的输入阻抗为1M和并联电容为和并联电容为50pF，求：，求：(1)压电晶体的电压灵敏度足压电晶体的电压灵敏度足Ku (2)测量系统的高频灵敏度；测量系统的高频灵敏度；(3)测量系统的固有频率；测量系统的固有频率；第58页，共60页，编辑于2022年，星期五已知某压电式传感器测量低信号频率已知某压电式传感器测量低信号频率f=1Hz，现要求，现要求在在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过信号频率时其灵敏度下降不超过5%，若采用电压，若采用电压前置放大器输入回路总电容前置放大器输入回路总电容C1=500pF。求该前置放。求该前置放大器输入总电阻大器输入总电阻Ri是多少？是多少？第59页，共60页，编辑于2022年，星期五如图所示电荷前置放大器电路，已知如图所示电荷前置放大器电路，已知Ca=100pF，Ra=，CF=10pF。若考虑引线。若考虑引线Cc的影响，当的影响，当A0=104时，时，要求输出信号衰减小于要求输出信号衰减小于1%。求使用。求使用90pF/m的电缆其的电缆其最大允许长度为多少？最大允许长度为多少？第60页，共60页，编辑于2022年，星期五