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1、第四章第四章 压电传感器压电传感器 三、压电传感器的等效电路一、认识压电传感器二、压电传感器的工作原理四、压电传感器的结构和应用五、电荷放大器第1页/共89页第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理压电式传感器的特点：压电式传感器的特点：是是一一种种自自发发电电式式传传感感器器。它它以以某某些些电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，在在外外力力作作用用下下，在在电电介介质质表表面面产产生生电电荷荷，从从而而实实现现电电量电测的目的。量电测的目的。压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些非非电电物物理理量
2、量，例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振振动动加加速速度度等，但等，但不能用于静态参数的测量。不能用于静态参数的测量。第2页/共89页一、压电效应一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，形，表面产生电荷，电荷电荷Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比，这种现，这种现象称为象称为压电效应压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上若在电介质的极化方向上施
3、加交变电压施加交变电压，它就会，它就会产生机产生机械变形械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为种现象称为逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）。）。第3页/共89页石英晶体（单晶体）石英晶体（单晶体）石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。第4页/共89页天然石英晶体外形天然石英晶体外形第5页/共
4、89页天然石英晶体外形（续）天然石英晶体外形（续）第6页/共89页天然石英晶体的结构及剖面天然石英晶体的结构及剖面第7页/共89页2023/2/228天然石英晶体的三个轴天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。经过正六面体棱线，并经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴垂直于光轴的轴线称为电轴，也称也称x轴轴；经过正六面体的经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称为机械轴，也称y轴轴。第8页/共89页天然石英晶体的三个面天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，
5、再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。第9页/共89页石英晶体切片的三个面（续）石英晶体切片的三个面（续）在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷；在y面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。l、b分别为石英分别为石英晶片的长度、厚度和高晶片的长度、厚度和高度。度。电荷只产生在与电荷只产生在与x轴垂直的轴垂直的x面的前后两面的前后两侧。侧。第10页/共89页石英晶体的特性石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范
6、围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。石英的石英的d11系数相对于系数相对于20的的d11温度变化特性温度变化特性石英在高温下相对介电常数的石英在高温下相对介电常数的温度特性温度特性第11页/共89页石英晶体的切片石英晶体的切片第12页/共89页石英晶体片及封装石英晶体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第13页/共89页天然石英晶体的天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较轴向受力产生电荷比较1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，
7、在x面上产生的电荷为：Q=d1111Fx式中的d1111称为压电常数。2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生电荷：式中的l、为石英晶片的长度和厚度。第14页/共89页石英晶体石英晶体的压电效的压电效应演示应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失荷很快泄漏，并消失。第15页/共89页1正电荷等效中心2负电荷等效中心
8、压电效应的微观分析压电效应的微观分析未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠，未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠，从宏观上看，整体不带电从宏观上看，整体不带电第16页/共89页1正电荷等效中心2负电荷等效中心晶体沿晶体沿x面受压力时面受压力时的带电情况分析的带电情况分析石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，x面的上表面带正电，下表面带负电面的上表面带正电，下表面带负电Q=d1111Fx第17页/共89页1正电荷等效中心2负电荷等效中心晶片晶片沿沿x面受拉力时面受拉力时，或是，或是所受压力消失后，弹所受压力消失后，弹性体反弹时性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷
9、中心分，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离离,x面的上表面带负电面的上表面带负电,下表面带正电下表面带正电。受交变力时，产生交变电信号。受交变力时，产生交变电信号。第18页/共89页y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比l/的倍数而不同。沿沿y面受压力时面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生石英晶体的正负电荷中心也产生分离分离,x面的上表面带负电面的上表面带负电,下表面带正电下表面带正电第19页/共89页无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的
10、变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。沿沿y面受拉力时面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生石英晶体的正负电荷中心也产生分离分离,x面的上表面带正电面的上表面带正电,下表面带负电下表面带负电，带电的方向带电的方向与与x面受压力时的情况相同面受压力时的情况相同第20页/共89页交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生交变电荷对压电元件施加交变力，产生交变电荷产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。等效于交变电荷源。第21页/共89页外力作用在压电元
11、件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小于几秒，而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件的等效电路压电元件的等效电路交变电荷源两端并联一个极间电容交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻和漏电电阻Ra。极间电容极间电容Ca约为约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比数量级，与压电片的面积成正比；漏；漏电电阻电电阻Ra应应大于大于1M。第22页/共89页如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。
12、逆压电效应逆压电效应第23页/共89页实线代表未施加激励电压的形变前的状态虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的状态。在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。逆压电效应示意图逆压电效应示意图第24页/共89页清代诗人苏履吉赞颂鸣沙“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”鸣沙山上的逆压电效应鸣沙丘鸣沙丘第25页/共89页煤气灶压电点火器煤气灶压电点火器另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按钮，按钮，“撞击块撞击块”敲击多块串联的压电陶瓷，就敲击多块串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气。压电陶能产生高电压，形成电火花而点燃煤气。压
13、电陶瓷还可以制成电子打火机，可使用瓷还可以制成电子打火机，可使用100万次以上。万次以上。26煤气灶上的点火器有两煤气灶上的点火器有两种。一种为有源点火器，要种。一种为有源点火器，要依靠依靠干电池逆变电路产生高干电池逆变电路产生高压电火花压电火花；第26页/共89页压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器压电陶瓷变压器是一块是一块具有不同极化方向的压电陶瓷，同时利用正具有不同极化方向的压电陶瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应来产生高电压的器件压电效应和逆压电效应来产生高电压的器件。两次能量转换为：。两次能量转换为：中频中频电能激励电能激励机械振动能机械振动能中频高压电能中频高压电能。常用的是
14、长条形单片常用的是长条形单片Rosen型压电陶瓷变压器。压电变压器的型压电陶瓷变压器。压电变压器的左半左半部上下两面有烧渗的银电极，作为电压输入端，称为驱动部分；部上下两面有烧渗的银电极，作为电压输入端，称为驱动部分；右半右半部分的端头烧渗银电极，作为输出端，称为发电部分。部分的端头烧渗银电极，作为输出端，称为发电部分。当一个交变电当一个交变电压加到压电变压器的输入端时，在输入端压加到压电变压器的输入端时，在输入端,沿厚度方向引起陶瓷体的收沿厚度方向引起陶瓷体的收缩与拉伸，这种应变沿长度方向传递，使压电变压器沿长度方向产生缩与拉伸，这种应变沿长度方向传递，使压电变压器沿长度方向产生连续的正弦波
15、电压连续的正弦波电压（正压电效应），将机械能转换为电能正压电效应），将机械能转换为电能。由于长度。由于长度是厚度的几十倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。是厚度的几十倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。27第27页/共89页压电陶瓷高压变压器电路压电陶瓷高压变压器电路压电变压器可用于电子警棍、负离子发生器、臭氧发生压电变压器可用于电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置。等高压发生装置。28第28页/共89页二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件
16、材料常用压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：的有三类：一类是一类是压电晶体压电晶体（如上述的石英晶体）（如上述的石英晶体）；另一类是另一类是经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷压电陶瓷；第三类是经过极化处理的第三类是经过极化处理的高分子压电材高分子压电材料。料。第29页/共89页压电材压电材料的分料的分类类.第30页/共89页石英晶体的特性石英晶体的特性石石英英晶晶体体在在20200的的范范围围内内压压电电常常数数的的变变化化量量只只有有-0.0001/。还还具具有有自自振振频频率率高高、动动态态响响应应好好、机机械械强强度度高高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。绝缘性能好
17、、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.31 10-12C/N。因因此此石石英英晶晶体体大大多多只只在在标标准准传传感感器器、高高准准确确度度传传感感器器或或使使用用高高温温压压电电传传感感器器中中使使用用，而而在在一一般般要求的测量中，基本上采用要求的测量中，基本上采用压电陶瓷压电陶瓷。第31页/共89页2023/2/2232石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路L1为动态电感为动态电感；C1为动态电容；为动态电容；R1为损耗电阻；为损耗电阻；C0为晶体的静态电容。为晶体的静态电容。第32页/共89页 石英晶体在振荡电路
18、中工作时，压石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。生稳定的振荡输出频率。晶振晶振石英晶体还可制作晶体振荡器石英晶体还可制作晶体振荡器（晶振）（晶振）第33页/共89页石英晶体的切片方向与稳定性之间的关石英晶体的切片方向与稳定性之间的关系系必须严格控制晶片的切割角度。使在必须严格控制晶片的切割角度。使在正常的工作温度范围内，不至超过所要求正常的工作温度范围内，不至超过所要求的容许误差。的容许误差。晶片在切割、抛光的连续加工过程中，晶片在切割、抛光的连续加工过程中，都会因加工的准确度不同，导致一定的离都会因加工的准确
19、度不同，导致一定的离散型，使温度漂移变大，灵敏度不一致等。散型，使温度漂移变大，灵敏度不一致等。第34页/共89页（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造，而制造成本却较低成本却较低，因此目前国内外生产的压电元，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电。常用的压电陶瓷材料有陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）等）。第35页/共89页压电陶瓷外形压
20、电陶瓷外形第36页/共89页压电陶瓷的工作原理压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种压电陶瓷是一种多晶压电材料多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件下，经条件下，经1000以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此分布，它们的极
21、化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性原始的压电陶瓷呈中性,不具不具有压电性质有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应。为了使压电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面必须在高温下，在上下端面镀上电极，镀上电极，用上千伏高电压进行用上千伏高电压进行极化处理极化处理，使电畴的方向趋向一致使电畴的方向趋向一致，冷，冷却后就具有压电效应。却后就具有压电效应。第37页/共89页压电陶瓷的极化处理压电陶瓷的极化处理 a）极化处理前电畴杂乱分布）极化处理前电畴杂乱分布b）在极化电压下的电畴分布）在极化电压下的电畴分布c）冷却、稳定后的电畴分布）冷却、稳定后的电畴分布1镀银上电极镀银上电极2压电陶瓷
22、压电陶瓷3镀银下电极镀银下电极4电畴电畴5极化高压电源极化高压电源细微的电畴极化方向细微的电畴极化方向第38页/共89页压电陶瓷极化的影响因素压电陶瓷极化的影响因素极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320420K，极化时间从几分钟到几十分钟。第39页/共89页常用的压电陶瓷材料常用的压电陶瓷材料（1）锆锆钛钛酸酸铅铅系系列列压压电电陶陶瓷瓷（PZT）：是是由由钛钛酸酸铅铅和和锆锆酸酸铅铅组组成成的的固固熔熔体体。有有较较高高的的压压电电常常数数d（200500）10-12C/N。在在上上述述材材料料中中加加入入微微量量的的镧镧（La）
23、、铌（铌（Nb）或锑（）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的）等，可以得到不同性能的PZT材料。材料。（2）非非铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷：能能减减少少制制造造过过程程中中铅铅对对环环境境的的污污染染。BaTiO3基基无无铅铅压压电电陶陶瓷瓷、BNT基基无无铅铅压压电电陶陶瓷瓷、铌铌酸酸盐盐基基无无铅铅压压电电陶陶瓷瓷、钛钛酸酸铋铋钠钠钾钾无无铅铅压压电电陶陶瓷瓷、钛钛酸酸铋铋锶锶钙钙无无铅铅压压电电陶陶瓷瓷和和钛钛酸酸钡钡钙钙压压电电陶陶瓷瓷等等，它它们们的的多多项项性性能能都都已已超超过过含含铅铅系系列压电陶瓷，列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向是今后压电陶瓷的发展方向。第40页/共89页无
24、铅压电陶瓷无铅压电陶瓷锆锆钛钛酸酸钡钡钙钙的的压压电电系系数数达达到到600pC/N，压压电电性性能能已已超超过过了了世世界界上上已已使使用用半半个个世世纪纪、但但对对人人体体和和环环境境有有害害的的核核心心压压电电材材料料锆锆钛钛酸酸铅铅陶陶瓷瓷（250pC/N）。无无铅铅压压电电陶陶瓷瓷取取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。第41页/共89页压电陶瓷与石英晶体的特性比较压电陶瓷与石英晶体的特性比较.第42页/共89页（三）高分子压电材料（三）高分子压电材料典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（、
25、聚氟乙烯（PVF）、改）、改性聚氯乙烯（性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范测量动态范围可达围可达80dB。第43页/共89页（三）高分子压电材料（三）高分子压电材料高分子压电材料是一种柔性的压电元件。高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为压电陶瓷的密度仅为压电陶瓷的14，弹性
26、柔顺常数，弹性柔顺常数比陶瓷大比陶瓷大30倍。倍。可以在几十微米的可以在几十微米的PVDF压电膜上，压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约，电极厚度约0.1m，再层压在，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细敏感元件，到工业上用的各种传高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超声诊断仪、血感器；从军事上应用的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超
27、声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器压计、指脉膊计、心率计、机器人的触觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、扬声器等。件、扬声器等。第44页/共89页高分子压电材料高分子压电材料的种类、加工的种类、加工典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（改性聚氯乙烯（PVC）、聚）、聚甲基甲基L谷氨酸酯谷氨酸酯(PMLG)、聚碳酸酯、聚碳酸酯(Pc)和尼龙和尼龙11等，等，灵灵敏度比压电陶瓷高十几倍敏度比压电陶瓷高十几倍，输出脉冲电压可以直接驱动，
28、输出脉冲电压可以直接驱动CMOS集成门电路。集成门电路。将将PVDF树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为树脂加热，用辊压机压制成膜或电缆套管。定向拉伸的温度约为120，在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为在拉伸薄膜的两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度为0.1m。与压电陶瓷类似，与压电陶瓷类似，必须用高电压进行极化处理必须用高电压进行极化处理。薄膜经极化处理后，分子偶极子就。薄膜经极化处理后，分子偶极子就趋向一致的方向，显现出电压特性。趋向一致的方向，显现出电压特性。极化场强约极化场强约5kV/mm，极化温度为，极化温度为80100，极，极化时间为化时间为3060
29、min。第45页/共89页高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制、切片、切片第46页/共89页高分子压电材料高分子压电材料的特性的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达态范围可达80dB，频率响应范围可从频率响应范围可从0.1Hz直至直至109Hz。工作温度一般低于工作温度一般低于100。温度升高时，灵。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。线能力较差，不宜暴晒，以免老化。第47页/共8
30、9页高分子压电材料制作的高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆压电垫和压电电缆第48页/共89页可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板板第49页/共89页压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器第50页/共89页高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）第51页/共89页电荷放大器电荷放大器压电传感器的输出阻抗较大，压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传。又由于压电传感器的感器的输出电压与压电片的极间电容输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容以及
31、传输线的对地分布电容Cc有关有关，如果接入，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。现在多采用现在多采用“电荷放大器电荷放大器”来来将将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电压，属于电荷转换为电压，属于Q/U转换转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法习惯叫法。第52页/共89页压电元件的压电元件的极间电容极间电容压压电电元元件件在在承承受受沿沿敏敏感感轴轴方方向向的的外外力力作作用用时时，将将产产生生电电荷荷，因因此此它它相相当当于于一一个个电电荷荷源源。当当压压电电元元件件表表面面聚聚
32、集集电电荷荷时时，它它又又相相当当于于一一个个以以压压电电材材料料为为介介质质的的电电容容器器，两两电极板间的电容电极板间的电容Ca为为式中式中A压电元件电极面积；压电元件电极面积；压电元件厚度；压电元件厚度；r压电材料的相对介电常数；压电材料的相对介电常数；0真空介电常数。真空介电常数。第53页/共89页压电元件的图形符号及等效电路压电元件的图形符号及等效电路a）结构示意图）结构示意图b）压电元件的符号）压电元件的符号c）压电元件的等效电路）压电元件的等效电路1镀银上电极镀银上电极2压电晶体压电晶体3镀银下电极镀银下电极第54页/共89页压电传感器的输出电压与等效电容的关压电传感器的输出电压
33、与等效电容的关系系如果压电元件直接与放大器配套使用，如果压电元件直接与放大器配套使用，除了极间电容，还应考虑到传输屏蔽电缆除了极间电容，还应考虑到传输屏蔽电缆芯线对接地屏蔽层的分布电容芯线对接地屏蔽层的分布电容Cc的影响的影响。如果忽略。如果忽略Ra和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻Ri的影响，的影响，则有则有式中式中Ci电压放大器的输入电容；电压放大器的输入电容；Q压电元件输出的电荷量。压电元件输出的电荷量。屏蔽电缆的对地分布电容大约为屏蔽电缆的对地分布电容大约为100pF/m。当。当屏蔽电缆较长时，屏蔽电缆较长时，Cc显著增大，显著增大，放放大器的输入电压大器的输入电压U i将比压电传感
34、器空载时的输出将比压电传感器空载时的输出U o小很多，小很多，且不稳定且不稳定。第55页/共89页压电传感器与二次仪表连接的等效电压电传感器与二次仪表连接的等效电路路Ci、Ri为放大器的输入电容和输入电阻为放大器的输入电容和输入电阻第56页/共89页电荷放大器原理电荷放大器原理电荷放大器是一个具有反馈电容电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益益运算放大器电路。当放大器开环增益A和输和输入电阻入电阻R i、反馈电阻、反馈电阻Rf（用于防止放大器的（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷正比
35、于输入电荷Q，反比于反馈电容反比于反馈电容Cf，而基而基本上与本上与Cc、Ca、Ci无关无关：第57页/共89页电荷放大器电荷放大器1压电传感器压电传感器2屏蔽电缆线屏蔽电缆线3传输线分布电容传输线分布电容4电荷放大器电荷放大器SC灵敏度选择开关灵敏度选择开关SR带宽选择开关带宽选择开关Cf Cf 在放大器输入端的密勒等效电容在放大器输入端的密勒等效电容CfCf在放大器输出端的密勒等效电容在放大器输出端的密勒等效电容第58页/共89页电荷放大器基本电路电荷放大器基本电路第59页/共89页电荷放大器原理分析电荷放大器原理分析反反馈馈电电容容Cf跨跨接接在在放放大大器器的的反反相相输输入入端端和和
36、输输出出端端之之间间。根根据据密密勒勒等等效效定定理理，相相当当于于在在输输入入端端并并联联了了一一个个容容量量很很大大的的等等效效电电容容Cf。设设运运算算放放大大器器的的开开环环增增益益数数为为Au，通通常常约约为为120dB，相相当当于于106。Cf=(1+Au)Cf，Cf的的取取值值 范范 围围 多多 为为 100pF0.1F。若若 Cf取取 最最 小小 值值100pF，则则等等效效电电容容Cf约约为为100F。输输入入回回路路的总电容基本上由的总电容基本上由C f决定决定C总总=Ca+Cc+C i+(1+Au)C f第60页/共89页电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压式中式中Q
37、：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值；：压电元件受动态力作用所产生的电荷有效值；Cf：并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容当当A足够大时，则足够大时，则(1+A)C f(Ca a+Cc+Ci)，上式可化简为，上式可化简为由由此此可可知知,电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压仅仅与与输输入入电电荷荷和和反反馈馈电电容容有有关关,电电缆缆引引线线电电容容等等因因素的影响可忽略不计。素的影响可忽略不计。第61页/共89页电荷放大器的实际电路框图电荷放大器的实际电路框图第62页/共89页压电传感器与压电传感器与电荷放大器及电荷放大器及后续仪表的后续仪
38、表的连接连接.第63页/共89页反馈电容的选取反馈电容的选取当被测振动较小时，电荷放大器的当被测振动较小时，电荷放大器的反馈电容应取得小一些，可以取得较大的输出电反馈电容应取得小一些，可以取得较大的输出电压压；为了进一步减少传感器输出电缆的分布电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装为了进一步减少传感器输出电缆的分布电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内，或紧靠在传感器附近；在传感器内，或紧靠在传感器附近；为了防止因为了防止因Cf长时间充电导致集成运放饱和，在长时间充电导致集成运放饱和，在Cf上并联直流负反馈电阻上并联直流负反馈电阻Rf。改变反馈电容改变反馈电容Cf的大小，可以粗调灵敏
39、度的大小，可以粗调灵敏度。Cf的调节范围可以从的调节范围可以从100pF100nF。1nF=1000pF广义的机械灵敏度的分母用广义的机械灵敏度的分母用unit表示表示,取决于所用传感器的机械单位。取决于所用传感器的机械单位。例如：例如：加速加速度为度为g(或或m/S2),压力为压力为kPa，动态力为动态力为N（牛）等。（牛）等。第64页/共89页电荷放大器的高频截止频率电荷放大器的高频截止频率电荷放大器的电荷放大器的上限频率由运放的频率响应、电压上升率、噪声系数、线路的分布电上限频率由运放的频率响应、电压上升率、噪声系数、线路的分布电容等决定容等决定。如果电缆线太长，电缆电容和杂散电容增加，
40、都会导致放大器的高频特性变。如果电缆线太长，电缆电容和杂散电容增加，都会导致放大器的高频特性变差。若忽略运放的输入电容和输入电阻，则上限频率为差。若忽略运放的输入电容和输入电阻，则上限频率为 式中式中Rk和和Ck为电缆的等效电阻和等效电容，为电缆的等效电阻和等效电容，Cq为传感为传感器的等效电容。为提高信噪比，应选择上限频率为器的等效电容。为提高信噪比，应选择上限频率为被测被测信号中最高频率三倍以上信号中最高频率三倍以上的电荷放大器。的电荷放大器。第65页/共89页反馈反馈电阻电阻的选取的选取及低频截止频率及低频截止频率Rf与与Cf的乘积决定电荷放大器的下限频率的乘积决定电荷放大器的下限频率f
41、L。当。当Cf由灵敏度的要求确定后，由灵敏度的要求确定后，Rf越大，越大，电荷放大器的的低频特性就越差。电荷放大器的的低频特性就越差。当被测电荷信号的频率下降到当被测电荷信号的频率下降到fL时，电荷放大器的输出时，电荷放大器的输出电压降低到中频的电压降低到中频的时时此时的低频截止频率此时的低频截止频率fL=1/2C f R f。可以在面板上选择可以在面板上选择Rf，M档反馈电阻为档反馈电阻为1011，L L档反馈电阻为档反馈电阻为1013。最大输入电荷量最大输入电荷量可达可达1010 6 6p pC C。当振动。当振动信号幅度大于信号幅度大于10Vp10Vp时时,过载指示过载指示器的发光二极管
42、亮器的发光二极管亮,并触发复位开关。并触发复位开关。第66页/共89页电荷放大器的频率特性电荷放大器的频率特性.|1/Cf|第67页/共89页电荷放大器的频率特性电荷放大器的频率特性.第68页/共89页1）压电元件的输出电荷量Q的有效值为多少库伦？2）被测振动力F F 的有效值为多少？3）电荷放大器的灵敏度KQ为多少mV/pC？4 4）该电荷放大器的下限截止频率为多少赫？例例 某压电元件用于测量振动，灵敏度某压电元件用于测量振动，灵敏度d11=10010-12C/N，电荷放大器的反馈电容，电荷放大器的反馈电容Cf=1000pF，Rf=10M，测得，测得A1的输出电压的输出电压Uo=0.2V，求
43、，求:第69页/共89页4）下限频率：解解 1）压电元件的输出电荷量）压电元件的输出电荷量Q的有效值的有效值Q=CfUo=(100010-12F0.2V)=200pC2）被测振动力）被测振动力3）灵敏度）灵敏度第70页/共89页四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.第71页/共89页某电荷放大器指标某电荷放大器指标灵灵敏敏度：度：0.11000mV/pC可调；可调；频率范围：频率范围：0.3100kHz；噪声噪声(最大增益时最大增益时)：折合至输入端：折合至输入端小于小于5V；准准确确度：度：1%；最大输出：最大输出：10V或或10mA；电电源：源：220V/50Hz；控制方式：控制方式：
44、计算机、遥控或手动。计算机、遥控或手动。第72页/共89页超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块灵灵敏敏度：度：1、10、100mV/pC（任选一档）（任选一档）频率范围：频率范围：0.3100KHz（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1mV归归一一化：电容调整化：电容调整线性误差：线性误差：1%最大输出：最大输出：5V或或10V电电源：源：15V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。主要性能指标主要性能指标:焊接式焊接式电荷放大器电荷放大器第73页/共89页其他电荷放大器外其他电荷放大器外形形面板式电荷放大器面板
45、式电荷放大器第74页/共89页多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形第75页/共89页压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故供给测量回路以一定的电
46、流，故只适用于动态测量只适用于动态测量（一般必须高于（一般必须高于3Hz3Hz，但在，但在30kHz30kHz以上时，灵敏度下降）。以上时，灵敏度下降）。第76页/共89页第三节第三节 压电传感器的结构及应用压电传感器的结构及应用一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置将高分子压电测振将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴粘贴位置位置回目录回目录第77页/共89页高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分
47、子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块将将厚厚约约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm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。并并用用保保护护膜覆盖。膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q ，在两个输出引，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。第78页/共
48、89页2 2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）将压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分将压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。辆也可以通过信号处理系统分辨出来。多通道测量系统多通道测量系统的输出波形的输出波形第79页/共89页1铜芯线（分布电容内电极）2管状高分子压电塑料绝缘层3铜网屏蔽层（分布电容外电极）4橡胶保护层（承压弹性元件）高分子压电电缆
49、周界报警系统高分子压电电缆周界报警系统第80页/共89页交通监测交通监测（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、（包括轴数、轴距、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）及机场滑行道等。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。将高分子将高分子压电电缆埋压电电缆埋在公路上，在公路上，可以获取车可以获取车型分类信息：型分类信息：第81页/共89页高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示第82页/共89页集成脉搏传感器集成脉搏传感器采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过压电薄膜转换成电荷量，再采用压
50、电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过压电薄膜转换成电荷量，再经传感器内部的电荷放大电路转换成输出电压。经传感器内部的电荷放大电路转换成输出电压。其他应用：其他应用：脉搏计数探测脉搏计数探测振动、冲击、碰撞报警振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量振动加速度测量管道压力波动管道压力波动其它机电转换、动态力检测等其它机电转换、动态力检测等 第83页/共89页二、压电陶瓷传感器的应二、压电陶瓷传感器的应用用压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并是两片（或两片以上）粘结在一起，一般