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1、现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益3.53.5 压电式传感器压电式传感器一一.压电效应压电效应二二.常见常见压电材料压电材料三三.压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路四四.压电式传感器的应用压电式传感器的应用现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量下，在电介质的表面上产生电荷，从而实
2、现非电量测量。测量。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些物物理理量量，例例如如力力、压压力力、加加速速度等。度等。压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏度度高高、信信噪噪比比大大、结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、重重量量轻轻等等优优点点。近近年年来来，由由于于电电子子技技术术的的飞飞速速发发展展，随随着着与与之之配配套套的的二二次次仪仪表表以以及及低低噪噪声声、小小电电容容、高高绝绝缘缘电电阻阻电电缆缆的的出出现现，使使压压电电传传感感器器的的使使用用更更为为方方便便。因因此此，在在工工程
3、程力力学学、生生物物医医学学、石石油油勘勘探探、声声波波测测井井、电电声声学学等许多技术领域中获得了广泛的应用。等许多技术领域中获得了广泛的应用。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益一、压电效应一、压电效应正正压压电电效效应应（顺顺压压电电效效应应）：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一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复不不带带电电状状态态的
4、的现现象象。当当作作用用力力方方向向改改变变时时，电电荷荷极性也随着改变。极性也随着改变。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的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就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也也随之消失的现象。随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（一）石英晶体的压电效
5、应（一）石英晶体的压电效应天天然然结结构构石石英英晶晶体体的的理理想想外外形形是是一一个个正正六六面面体体，在在晶晶体体学学中中它它可可用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴来来表表示示，其其中中纵纵向向轴轴ZZ称称为为光光轴轴；经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的XX轴轴称称为为电电轴轴；与与XX轴轴和和ZZ轴轴同同时时垂垂直直的的YY轴轴（垂垂直于正六面体的棱面）称为直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向方向的力作用下产生电荷的的力作用下产生电荷的压电效应称为压电效应
6、称为“纵向压纵向压电效应电效应”，而把沿机械，而把沿机械轴轴YY方向的力作用下方向的力作用下产生电荷的压电效应称产生电荷的压电效应称为为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴沿光轴ZZ方向受力则方向受力则不产生压电效应。不产生压电效应。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影，如如图图(a)。为为讨讨论论方方便便，将将这这些些硅硅、氧氧
7、离离子子等等效效为为图图(b)中中正正六六边边形形排排列列，图图中中“”代代表表Si4+，“”代代表表2O2-。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 当当作作用用力力FX=0时时，正正、负负离离子子（即即Si4+和和2O2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120 夹夹角角的的偶偶极极矩矩P1、P2、P3，如如图图（a）所所示示。此此时时正正负负电电荷荷中中
8、心心重重合合，电电偶偶极极矩矩的的矢矢量量和等于零，即和等于零，即 P1P2P30 当当晶晶体体受受到到沿沿X方方向向的的压压力力（FX0在在Y、Z方向上的分量为方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由由上上式式看看出出，在在X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷，在荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿X(电轴电轴
9、)方向的力方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向产生正压电效应，而方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。晶晶体体在在Y轴轴方方向向力力FY作作用用下下的的情情况况与与FX相相似似。当当FY0时时，晶晶体体的的形形变变与与图图（b）相相似似；当当FY0时时，则则与与图图（c）相相似似。由由此此可可见见，晶晶体体在在Y（即即机机械械轴轴）方方向向的的力力FY作作用用下下，使使它它在在X方方向向产产生生正正压压电电效效应应，在在Y、Z方方向向则不产生压电效应。则不产生压电效应。（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+当晶体受到沿当晶体受到沿X方
10、向的拉力（方向的拉力（FX0）作用时，其变化）作用时，其变化情况如图（情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为）。此时电极矩的三个分量为在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益晶晶体体在在Z轴轴方方向向力力FZ的的作作用用下下，因因为为晶晶体体沿沿X方方向向和和沿沿Y方方向向所所产产生生的的正正应应变变完完全全相相同同，所所以以，正正、负负电电荷荷中中心心保保持持重重合合，电电偶偶极极矩矩矢矢量量和和等等于于零零。这这
11、就就表表明明，沿沿Z(即光轴即光轴)方向的力方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。作用下，晶体不产生压电效应。假假设设从从石石英英晶晶体体上上切切下下一一片片平平行行六六面面体体晶晶体体切切片片，使使它它的的晶晶面面分分别别平平行行于于X、Y、Z轴轴，如如图图。并并在在垂垂直直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿当晶片受到沿X轴方向轴方向的压缩应力的压缩应力XX作用时，晶作用时，晶片将产生厚度变形，并发生片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度范围内，极化强度PXX与应与应力力XX成正比
12、，即成正比，即石英晶体切片ZYXblt现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益式中式中 FXX轴方向的电场强度；轴方向的电场强度；d11压压电电系系数数，当当受受力力方方向向和和变变形形不不同同时时，压压电电系系数数也也不不同，石英晶体同，石英晶体d11=2.310-12CN-1；l、b石英晶片的长度和宽度。石英晶片的长度和宽度。极化强度极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中式中 q qX X垂直于垂直于X X轴平面上的电荷。轴平面上的电荷。将上两式整理，得将上
13、两式整理，得 式中式中 电极面间电容。电极面间电容。其极间电压为其极间电压为现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益根据逆压电效应，晶体在根据逆压电效应，晶体在X轴方向将产生伸缩，即轴方向将产生伸缩，即 或用应变表示，则或用应变表示，则式中式中 EXX轴方向上的电场强度。轴方向上的电场强度。在在X轴轴方方向向施施加加压压力力时时，左左旋旋石石英英晶晶体体的的X轴轴正正向向带带正正电电；如如果果作作用用力力FX改改为为拉拉力力，则则在在垂垂直直于于X轴轴的的平平面面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图上仍出现等
14、量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。FXFX+(a)(b)XXt=d11UX现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着着机机械械轴轴的的方方向向，其其电电荷荷仍仍在在与与X轴轴垂垂直直平平面面上上出出现现，其其极极性性见见图图（c）、（d），此时电荷的大小为），此时电荷的大小为+(c)(d)FYFYXX式中式中 d12石英晶体在石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。轴方向受力时的压电系数。根据石英晶体轴对称条件：根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，
15、则上式为，则上式为式中式中 t晶片厚度。晶片厚度。则其极间电压为则其极间电压为 现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益根据逆压电效应，晶片在根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩变形，即轴方向将产生伸缩变形，即或用应变表示或用应变表示由上述可知：由上述可知：无无论论是是正正或或逆逆压压电电效效应应，其其作作用用力力（或或应应变变）与与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶晶体体在在哪哪个个方方向向上上有有正正压压电电效效应应，则则在在此此方方向向上上一定存在逆压电效应；一
16、定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（二）（二）压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷属属于于铁铁电电体体一一类类的的物物质质，是是人人工工制制造造的的多多晶晶压压电电材材料料，它它具具有有类类似似铁铁磁磁材材料料磁磁畴畴结结构构的的电电畴畴结结构构。电电畴畴是是分分子子自自发发形形成成的的区区域域，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在一一定定的的电电场场。在在无无外外电电
17、场场作作用用时时，各各个个电电畴畴在在晶晶体体上上杂杂乱乱分分布布，它它们们的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，因因此此原原始始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。）。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷却无法测出陶瓷片内部存
18、在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片
19、内的极化程度，如图。的极化程度，如图。自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 如如果果在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F，如如图图，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变（图图中中虚虚线线），片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释释放放，而而出出
20、现现放放电电荷荷现现象象。当当压压力力撤撤消消后后，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状(这这是是一一个个膨膨胀胀过过程程)，片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大，极极化化强强度度也也变变大大，因因此此电电极极上上又又吸吸附附一一部部分分自自由由电电荷荷而而出出现现充充电电现现象象。这这种种由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应，或或者者由由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工
21、作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益同同样样，若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，如如图图，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，就就是是说说，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图图中中虚虚线线）。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于
22、电电效效应应而而转转变变为为机机械械效效应应或或者者由由电电能能转转变变为为机机械械能的现象，就是逆压电效应。能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）极化方向电场方向现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极
23、化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。或补充的结果。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建
24、立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益二、压电材料二、压电材料n压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：转换性能。要求具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。机机械械性性能能。压压电电元元件件作作为为受受力力元元件件，希希望望它它的的机机械械强强度度高高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电电性性能能。希
25、希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以减减弱弱外外部部分分布电容的影响并获得良好的低频特性。布电容的影响并获得良好的低频特性。环环境境适适应应性性强强。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，要要求求具具有有较较高高的的居里点，获得较宽的工作温度范围。居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益石英晶体石英晶体石石英英（SiO2）是是一一种种具具有有良良好好压压电电特特性性的的压压
26、电电晶晶体体。其其介介电电常常数数和和压压电电系系数数的的温温度度稳稳定定性性相相当当好好，在在常常温温范范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。由由图图可可见见，在在20200范范围围内内，温温度度每每升升高高1，压压电电系系数数仅仅减减少少0.016。但但是是当当到到573时时，它它完完全全失失去了压电特性，这就是它的去了压电特性，这就是它的居里点居里点。1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特
27、性6543210100 200 300400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益石石英英晶晶体体的的突突出出优优点点是是性性能能非非常常稳稳定定，机机械械强强度度高高，绝绝缘缘性性能能也也相相当当好好。但但石石英英材材料料价价格格昂昂贵贵，且且压压电电系系数数比比压压电电陶陶瓷瓷低低得得多多。因因此此一一般般仅仅用用于于标标准仪器准仪器或要求较高的传感器中。或要求较高的传感器中。因因为为石石英英是是一一种种各各向向异异性
28、性晶晶体体，因因此此，按按不不同同方方向向切切割割的的晶晶片片，其其物物理理性性质质（如如弹弹性性、压压电电效效应应、温温度度特特性性等等）相相差差很很大大。为为了了在在设设计计石石英英传传感感器器时时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益三、三、压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路（一）（一）等效电路等效电路 当当压压电电传传感感器器中中的的压压电电晶晶体体承承受受被被测测机机械械应应力力的的作作用用时时，在在它它
29、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。可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个静静电电发发生生器器，如如图图(a)。也也可可把把它它视视为为两两极极板板上上聚聚集集异异性性电电荷荷，中中间间为为绝绝缘缘体体的的电容器电容器，如图，如图(b)。压电传感器的等效电路qq电极压电晶体Ca(b)(a)现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。
30、其电容量为：(a a)q qC Ca a现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为 因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图。(b b)U Ua aC Ca a现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益图图5-14 5-14 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 现代测试技术为了规范事业单位
31、聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对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电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益注意：注意：注意：注意：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，
32、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。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益并联方法：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。(a)(a)并联并联并联并联+压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式 在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或
33、两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益串联方法：正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。(b)(b)串联串联串联串联+现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用
34、人单位和职工的合法权益 在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（二）（二）测量电路测量电路 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：u把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；u放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信
35、号。前置放大器形式：前置放大器形式：u电电压压放放大大器器，其其输输出出电电压压与与输输入入电电压压（传传感感器器的的输输出出电压）成正比；电压）成正比；u电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。1 1、电压放大器、电压放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 2 2、电荷放大器、电荷放大器 电电荷荷放放大大器器是是一一个个具具有有深深度度负负反反馈馈的的高高增增益益放放大大器器，其其基基本本
36、电电路路如如图图。若若放放大大器器的的开开环环增增益益A0足足够够大大，并并且且放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗很很高高，则则放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，运运算算电电流流仅仅流流入入反反馈馈回回路路CF与与RF。由由图图可可知知i的的表表达达式式为：为：电荷放大器原理电路图A0CaUUSCiRaqCFRF现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益根据上式画出等效电路图根据上式画出等效电路图A0CaRaRCUSCUqCF、RF等等效效到到A0的的输输入入端端时时，电电容容CF将将增增大大(
37、1A0)倍倍。电电导导1RF也也增增大大了了(1A0)倍倍。所所以以图图中中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF。运放输入电压运放输入电压输出电压输出电压现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益当当A0足足够够大大时时,传传感感器器本本身身的的电电容容和和电电缆缆长长短短将将不不影影响响电电荷荷放放大大器器的的输输出出。因因此此输输出出电电压压USC只只决决定定于于输输入入电电荷荷q及反馈回路的参数及反馈回路的参数CF和和RF。由于。由于1RFCF,则则若考虑电缆电容若考虑电缆电容Cc，则有，则有可
38、见当可见当A0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入无关，只取决于输入电荷电荷q和反馈电容和反馈电容CF，改变，改变CF的大小便可得到所需的电的大小便可得到所需的电压输出。压输出。CF一般取值一般取值100-104pF。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益运运算算放放大大器器的的开开环环放放大大倍倍数数A0对对精精度度有有影影响响，当当频频率率很很高时，则高时，则及及由此得由此得A0104。对线性集成运算放大器来说，这一要求。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。是不难
39、达到的。例例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=104pF,当当要求要求1%时，则有时，则有则可计算产生的误差为则可计算产生的误差为现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 当当传传感感器器感感受受振振动动时时，因因为为质质量量块块相相对对被被测测体体质质量量较较小小，因因此此质质量量块块感感受受与与传传感感器器基基座座相相同同的的振振动动，并并受受到到与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力，此此力力Fma。同同时时惯惯性性力力作作用用在在压压电电陶陶瓷片上产
40、生电荷为瓷片上产生电荷为运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一）压电式加速度传感器压电式加速度传感器其其结结构构一一般般有有纵纵向向效效应应型型、横横向向效效应应型型和和剪剪切切效效应应型型三三种种。纵纵向向效效应应是是最最常常见见的的,如如图图。压压电电陶陶瓷瓷4和和质质量量块块2为为环环型型，通通过过螺螺母母3对对质质量量块块预预先先加加载载，使使之之压压紧紧在在压压电电陶陶瓷瓷上上。测测量量时时将将传传感感器器基基座座5与与被被测测对对象象牢牢牢牢地地紧紧固在一起。输出信号由电极固在一起。输出信号由电极1引出。引出。qd33Fd33ma四
41、、压电式传感器的应用四、压电式传感器的应用现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来
42、提高传感器灵敏度。此外用增加压电质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。敏度。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（二）（二）压电式压力传感器压电式压力传感器根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P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q为F作用
43、于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 测测压压传传感感器器的的输输入入量量为为压压力力P，如如果果传传感感器器只只由由一一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：因为因为 ，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度
44、现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（三）（三）压电式流量计压电式流量计利利用用超超声声波波在在顺顺流流方方向向和和逆逆流流方方向向的的传传播播速速度度进进行行测测量量。其其测测量量装装置置是是在在管管外外设设置置两两个个相相隔隔一一定定距距离离的的收收发发两两用用压压电电超超声声换换能能器器，每每隔隔一一段段时时间间(如如1/100s)，发发射射和和接接收收互互换换一一次次。在在顺顺流流和和逆逆流流的的情情况况下下，发发射射和和接接收收的的相相位位差差与与流流速速成成正正比比。据据这这个个关关系系，可
45、可精精确确测测定定流流速速。流流速与管道横截面积的乘积等于流量。速与管道横截面积的乘积等于流量。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此此流流量量计计可可测测量量各各种种液液体体的的流流速速，中中压压和和低低压压气气体体的的流流速速，不不受受该该流流体体的的导导电电率率、粘粘度度、密密度度、腐腐蚀蚀性性以以及及成成分分的的影影响响。其其准准确确度度可可达达0.5%，有有的的可可达到达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的变化，测量声速随深度的分布情况现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，
46、建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（四）集成压电式传感器是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。脉搏计照片典型应用：脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作
47、人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 力敏元件主要性能指标：力敏元件主要性能指标：压力范围压力范围 1kPa灵敏度灵敏度 0.2V/P非线性度非线性度 1 F.S频率响应频率响应 11000Hz标准工作电压标准工作电压 4.5V（DC）扩充工作电压扩充工作电压 315V(DC)标准负载电阻标准负载电阻 2.2k扩充电阻扩充电阻 1k12k外形尺寸外形尺寸 12.77.6重重 量量 1.5输出力敏元件地线R=2.2k 电源集成压电传感器连线电路OO现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益（五）压电式传感
48、器在自来水管道测漏中的应用（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动点为漏点，振动声音从声音从O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上，在管道上A、B两点放两只传感器，两点放两只传感器，A、B距离为距离为L（已知或可测），（已知或可测），从从A、B两个传感器接收的由两个传感器接收的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振时刻发出的振动信号所用时间为动信号所用时间为tA（=LA/V）和）和tB（=LB/V），两者时），两者时间差为间差为 t=tA-tB=（LA-LB）/V （1）又又 L=L
49、A+LB （2）LABO点LALB地面现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益因因为为管管道道埋埋设设在在地地下下，看看不不到到O点点，也也不不知知道道LA和和LB的的长长度度，已已知知的的是是L和和V，如如果果能能设设法法求求出出t，则则联联立立（1）+（2）得：）得：LA=(L+tV)/2 （3）或者将（或者将（1）-（2）得：）得：LB=（L-tV）/2 （4）关关键键是是确确定定t，就就可可准准确确确确定定漏漏点点O。如如果果从从O点点出出发发的的是是一一极极短短暂暂的的脉脉冲冲，在在A、B两两点点
50、用用双双线线扫扫描描同同时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是t。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益例：例：压电式声传感器压电式声传感器压电陶瓷换能器结构图压电陶瓷换能器结构图铝头铝头铝头铝头螺钉螺钉螺钉螺钉黄铜尾部黄铜尾部黄铜尾部黄铜尾部压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。现代测试技术为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经