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1、第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器5.1 5.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料15.2 5.2 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路5.3 5.3 压电式传感器的压电式传感器的测量电路测量电路35.4 5.4 压电压电式传感器式传感器的的应用应用42 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。材料的压电效应，是典型的有源传感器。u当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。荷产生，从而实现非电量测量。u压电式传感器具有体积小，重量轻，工作
2、频带压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。都得到了非常广泛的应用。某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，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号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到
3、不带电的状态，这种现象被称为复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应压电效应。当作。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为转化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效顺压电效应应”。5.1 压电效应及压电材料正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材反之，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力；当外加电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之消失。这种电能
4、转场撤去时，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“电致伸缩电致伸缩效应效应”。图图图图5-1 5-1 5-1 5-1 压电效应的可逆性压电效应的可逆性压电效应的可逆性压电效应的可逆性 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5.1 压电效应及压电材料u石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。良的压电材料。u压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶压电晶体和压电陶瓷瓷。前者为晶体，后者为极化处
5、理的多晶体。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。较理想的压电材料。5.1 压电效应及压电材料u 压电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有：（1 1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2 2）弹性常数：压电材料的弹性常数、弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着刚度决定着压电器件的固有频
6、率和动态特性。压电器件的固有频率和动态特性。（3 3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。压电传感器的频率下限。(4 (4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换 输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。换效率的一个重要参数。（5 5）电阻压电材料的绝缘电阻
7、：将减少电荷泄）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6 6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。度称为居里点。5.1 压电效应及压电材料 如图所示为天然石如图所示为天然石英晶体，其结构形状英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。两端为一对称棱锥。5.1.1 5.1.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴其中，纵轴Z Z称为光轴称为光轴，通过六棱线
8、而垂直于光铀的，通过六棱线而垂直于光铀的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 (垂直于垂直于六棱柱体的棱面六棱柱体的棱面)称为称为机械轴机械轴。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片在正常情况下呈轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴)方向的作用力产生的压电方向的作用力产生的压电效应称为效应称为“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)方向的方向的作用力
9、产生的压电效应称为作用力产生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光，沿光轴轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要是利用。压电式传感器主要是利用纵纵向压电效应向压电效应。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分分子子结结构构决决定定的的。图图-2-2是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子，在在垂垂直直于于z z轴轴的的xyxy平平面面上上的的投投影影，等等效效为为一一个个正正六六边边形形排排列列。图
10、图中中“”代代表表硅硅离离子子SiSi4+4+，“”代代表氧离子表氧离子O O2-2-。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图图图图5-2 5-2 5-2 5-2 硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图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+-当当石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时，正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120120夹夹角角的的电电偶偶极极矩矩P P P P1 1、P P P P
11、2 2、P P P P3 3。如图如图5-35-3（a a）所示。所示。(a a)F Fx x=0=0 x xy y+P P1 1P P2 2P P3 3-+-因为因为P P=qL（q为电荷量，为电荷量，L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 P P1+P P2+P P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。在在y、z方向上的分量为方向上的分量为:(P P1+P P2+P P3)y=0 (P P1+P P2+P P3)z=0当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的
12、压力（方向的压力（F F x 0 (b b)F Fx x00 x x+F Fx xy y+-F Fx x-P P1 1P P2 2P P3 3-+-+-当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的拉力（方向的拉力（F Fx 0）作用时，其变化情）作用时，其变化情况如图况如图5-3（c）所示。电偶极矩）所示。电偶极矩P P1增大，增大，P P2、P P3减小，减小，此时它们在此时它们在x、y、z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (P P1+P P2+P P3)x00y yx x+F Fx xF Fx xP P2 2P P3 3P P1 1+-+-可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿x(电轴电轴)方向的力
13、方向的力F 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。晶体在晶体在y轴方向受力轴方向受力F Fy作用下的情况与作用下的情况与F Fx 相似。当相似。当F Fy 0时，晶体的形变与图时，晶体的形变与图5-3（b）相似；当）相似；当F Fy 0时，时，则与图则与图5-3（c）相似。由此可见，晶体在）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）（即机械轴）方向的力方向的力 F Fy作用下，在作用下，在x方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。方向同样不产生压电效应。晶体在晶体在z轴方向受力轴
14、方向受力F Fz的作用时，因为晶体沿的作用时，因为晶体沿x方向和方向和沿沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿明，在沿z(即光轴即光轴)方向的力方向的力F Fz 作用下，晶体不产生作用下，晶体不产生压电效应。压电效应。5.1 压电效应及压电材料u若从晶体上沿若从晶体上沿y y方向切下一块如下图所示晶片，当方向切下一块如下图所示晶片，当在电轴方向施加作用力在电轴方向施加作用力 时，时，在与电轴在与电轴x x垂直的平垂直的平面上将产生电荷面上将产生电荷Q
15、xQx，其大小为，其大小为式中：式中：x x方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；作用力。作用力。u若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y y方向施加作用力方向施加作用力 ，则则仍在与仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷QyQy，其大小为：，其大小为：5.1 压电效应及压电材料式中：式中：y轴方向受力的压电系数，轴方向受力的压电系数，a、b晶体切片长度和厚度。晶体切片长度和厚度。电荷电荷Qx和和Qy的符号由所受力的性质决定。的符号由所受力的性质决定。石英晶体受力方向与电荷极性关系石英晶体受力方向与电荷极性关系 +(a a)F Fx xx x-F Fx x(b
16、b)x x+-x xF Fy y(c c)+-F Fy y(d d)x x+-当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向的压力作用时，qx只与作用力只与作用力F Fx成正比，而成正比，而与晶片的几何尺寸无关；与晶片的几何尺寸无关；沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；有关的；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；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；压电效应；无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与
17、电荷（或电无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。场强度）之间皆呈线性关系。压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电电材材料料。材材料料内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，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在电电场场。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，不具有压电性质。中性，不具有压电性质。5.1.2 5.1
18、.2 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强，就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场场方方向向。让让外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度，即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时，当当外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本没没变变化化，即即剩剩余极化强度很大，这时的材料
19、才具有压电特性。余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。图图5-4 5-4 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a)(a)未极化未极化;(b);(b)电极化电极化 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚即在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来自外界附了一层来自外界的自由电荷。这些自由的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相电荷符号相反而数量相等，它
20、屏蔽和抵消了陶等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界瓷片内极化强度对外界的作用。的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极陶瓷片内束缚电荷与电极陶瓷片内束缚电荷与电极陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图上吸附的自由电荷示意图上吸附的自由电荷示意图上吸附的自由电荷示意图极化方向极化方向极化方向极化方向-自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极电极电极电极电极-如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强
21、度也变小。释放部分吸附在电极上的自由变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出附一部分自由电荷而出现充电现象。现充电现象。正压电效应正压电效应 F F-极化方向极化方向极化方向极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场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极化强度增大。陶瓷
22、片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转变为效应，或者由电能转变为机械能的现象，就是压电机械能的现象，就是压电陶瓷的陶瓷的逆压电效应逆压电效应。图图图图5-11 5-11 逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图电电电电场场场场方方方方向向向向极化方向极化方向极化方向极化方向-对对于于压压电电陶
23、陶瓷瓷，通通常常取取它它的的极极化化方方向向为为z轴轴，垂垂直直于于z轴轴的的平平面面上上任任何何直直线线都都可可作作为为x或或y轴轴，在在是是和和石石英英晶晶体体的的不不同同之之处处。当当压压电电陶陶瓷瓷在在沿沿极极化化方方向向受受力力时时，则则在在垂垂直直于于z轴轴的的上上、下下两两表表面面上上将将会会出出现现电电荷荷，其其电电荷荷量量Q与作用力与作用力F Fz成正比，即成正比，即式中：式中：d d3333 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F F F作用力。作用力。压压电电陶陶瓷瓷的的压压电电系系数数比比石石英英晶晶体体的的大大得得多多，所所以以采采用用压压电电陶陶瓷瓷制制作作
24、的的压压电电式式传传感感器器的的灵灵敏敏度度较较高高。极极化化处处理理后后的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料的的剩剩余余极极化化强强度度和和特特性性与与温温度度有有关关，它它的的参参数数也也随随时时间间变变化化，从从而而使使其其压压电电特特性性减弱。减弱。最最早早使使用用的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料是是钛钛酸酸钡钡（BaTiOBaTiO3 3）。它它是是由由碳碳酸酸钡钡和和二二氧氧化化钛钛按按1111摩摩尔尔分分子子比比例例混混合合后后烧烧结结而而成成的的。它它的的压压电电系系数数约约为为石石英英的的5050倍倍，但但居居里里点点温温度度只只有有115115，使使用用温温度度不不超超过过7070，温
25、温度度稳稳定定性性和机械强度都不如石英。和机械强度都不如石英。压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。的居里点，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。压电材料介绍压电材料介绍压电材料介绍压电材料介绍在
26、几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。准仪器或要求较高的传感器中。（1 1
27、）石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片
28、的切型。据不同使用要求正确地选择石英片的切型。压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛）和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的体的50倍）。不足之处是居里点温度低（倍）。不足之处是居里点温度低（120），温），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。度稳定性和机械强度不如石英晶体。（2 2）压电陶瓷）压电陶瓷）压电陶瓷）压电陶
29、瓷2.2.锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3（钛酸铅（钛酸铅）和）和PbZrO3（锆酸（锆酸铅铅）组成的固溶体）组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在比，压电系数更大，居里点温度在300以上，各项以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锡、锰、钨等）还可以获得不同性
30、能的PZT材料。材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。用最广泛的压电材料。1.1.压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料有压电半导体材料有ZnO、CdS（硫化镉（硫化镉）、CdTe（碲化镉（碲化镉）等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应）等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。电材料，可检测力和温度等参数。（3 3）新型压电材料）新型压电材料）新型压电材料）新型压电材料2.2.高
31、分子压电材料高分子压电材料高分子压电材料高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。可以大量生产和制成较大的面积。压电晶片的连接方式压电晶片的连接
32、方式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，在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，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，常常将两片或两组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并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。联和
33、串联。联和串联。联和串联。并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，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、输正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输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出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测出电荷量大、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
34、信号。量缓变信号及电荷量输出信号。量缓变信号及电荷量输出信号。量缓变信号及电荷量输出信号。(a a a a)并联并联并联并联+串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，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，故这传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这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种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高种传感
35、器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高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。的信号。的信号。的信号。(b b b b)串联串联串联串联+在在上上述述两两种种接接法法中中，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量慢慢变变信信号号并并且且以以电电荷荷作作为为输输出出量量的的场场合合。而而串串联联接接法法输输出出电电压压大大，本本身身电电容容小小，适适宜宜用用于于以以电电压压作作输输出出信信号号，并并且且测测量量电路输入阻抗很高的场合。电路输入阻抗很高的场合。5.2 压电式传感器的等效电路当当压压电电晶晶体体承承受受
36、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。故故可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。电荷源与一个电容并联的电荷发生器。(a a a a)q qC Ca a其电容量为：其电容量为：5.2 压电式传感器的等效电路当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为其大小为 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和一个电容和一个电容器器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图(b)。U Ua aC Ca a(b
37、 b b b)图图5-5 5-5 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 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连实际使用时，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接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电、前置放大器的输入电阻阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进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去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图感器完整的等效电路可表示成图5-6所示的电压等效所示的电压等效电路（电路（a）和电荷等效电路（）和
38、电荷等效电路（b）。这两种等效电路）。这两种等效电路是完全等效的。是完全等效的。图图5-6 5-6 压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 （a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 值得注意的是：值得注意的是：值得注意的是：值得注意的是：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须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，使电荷从压电晶片上经测量电路采取一定的措施，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荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一
39、定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。流，故压电传感器适宜作动态测量。由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）在于高阻抗输入的前置放大器。）5.3 压电式传感器的测量电路前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变前置放大器的作用：一是将传
40、感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电电压放大器压放大器，其输出电压与输入电压，其输出电压与输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。故而电荷放大
41、器应用日益广泛。图图图图5-7 5-7 压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路 （a a a a）放大器电路放大器电路放大器电路放大器电路;（b b b b）等效电路等效电路等效电路等效电路1.1.电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）在在在在上上上上图图图图（b b）中中中中，电电电电阻阻阻阻R R=R Ra aR Ri i/(/(R Ra a+R Ri i),),电电电电容容容容C C=C Cc c+C Ci i，而而而而u ua a=q/Cq/Ca a，若若
42、若若压压压压电电电电元元元元件件件件受受受受正正正正弦弦弦弦力力力力f f=F Fmm sinsintt的的的的作作作作用用用用，则其电压为则其电压为则其电压为则其电压为 （5-65-6）式中：式中：式中：式中：U UU Ummmm压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，压电元件输出电压幅值，U UU Ummmm=dFdFdFdFmmmm/C C C Ca a a a；d d d d压电系数。压电系数。压电系数。压电系数。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，其复数形式为其复数形式为(5-7)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
43、电压和作用力之间相位差为 (5-8)(5-9)在在理理想想情情况况下下，传传感感器器的的R Ra a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R Ri i都都为为无无限限大大，即即(C Ca a+C Cc c+C Ci i)R R1 1，那那么么由由式式（5-85-8）可知，理想情况下输入电压幅值）可知，理想情况下输入电压幅值U Uimim为为 上上式式表表明明前前置置放放大大器器输输入入电电压压U Uimim与与频频率率无无关关，一一般般在在/0 033时时，就就可可以以认认为为U Uimim与与 无无关关，0 0表表示示测测量量电电路时间常数之倒数，即路时间常数之倒数，即 (5-
44、10)这这表表明明压压电电传传感感器器有有很很好好的的高高频频响响应应，但但是是，当当作作用用于于压压电电元元件件的的力力为为静静态态力力（=0=0）时时，前前置置放放大大器器的的输输出出电电压压等等于于零零，因因为为电电荷荷会会通通过过放放大大器器输输入入电电阻阻和和传传感感器器本本身身漏漏电电阻阻漏漏掉掉，所所以以压压电电传传感感器器不不能能用用于静态力的测量。于静态力的测量。当当当当 (C C C Ca a a a+C C C Cc c c c+C C C Ci i i i)R R R R1 1 1 1 时时时时，放放放放大大大大器器器器输输输输入入入入电电电电压压压压U UU Uimi
45、mimim如如如如式式式式（5-105-105-105-10）所所所所示示示示，式式式式中中中中C C C Cc c c c为为为为连连连连接接接接电电电电缆缆缆缆电电电电容容容容，当当当当电电电电缆缆缆缆长长长长度度度度改改改改变变变变时时时时，C C C Cc c c c也也也也将将将将改改改改变变变变，因因因因而而而而U UU Uimimimim也也也也随随随随之之之之变变变变化化化化。因因因因此此此此，压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器与与与与前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器之之之之间间间间连连连连接接接接电电电电缆缆缆缆不不不不能能能能随随随随意意意意更更更更换换换换，
46、否则将引入测量误差。否则将引入测量误差。否则将引入测量误差。否则将引入测量误差。5.3 压电式传感器的测量电路u下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗的输入阻抗(1000M)(1000M)和很低的输出阻抗和很低的输出阻抗(100)(C Ca a+C Cc c+C Ci i时，上式可表示为：时，上式可表示为：时，上式可表示为：时，上式可表示为：（5-155-15）（5-145-14）由由由由上上上上式式式式知知知知，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 UU Uo o o o只只只只取取
47、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电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器的的的的
48、最最最最大大大大特特特特点点点点。在在在在实实实实际际际际电电电电路路路路中中中中，C C C CF F F F的的的的容容容容量量量量做做做做成成成成可可可可选选选选择择择择的的的的，范范范范围一般为围一般为围一般为围一般为100101001010010100104 4 4 4pFpFpFpF。压压压压电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器在在在在测测测测量量量量低低低低压压压压力力力力时时时时线线线线性性性性度度度度不不不不好好好好，主主主主要要要要是是是是传传传传感感感感器器器器受受受受力力力力系系系系统统统统中中中中力力力力传传传传递递递递系系系系数数数数非非非非线线线线性性性性所所
49、所所致致致致。为为为为此此此此，在在在在力力力力传传传传递递递递系系系系统统统统中中中中加加加加入入入入预预预预加加加加力力力力，称称称称预预预预载载载载。这这这这除除除除了了了了消消消消除除除除低低低低压压压压力力力力使使使使用用用用中中中中的的的的非非非非线线线线性性性性外外外外，还还还还可可可可以以以以消消消消除除除除传传传传感感感感器器器器内内内内外外外外接接接接触触触触表表表表面面面面的的的的间间间间隙隙隙隙，提提提提高高高高刚刚刚刚度度度度。特特特特别别别别是是是是，它它它它只只只只有有有有在在在在加加加加预预预预载载载载后后后后才才才才能能能能用用用用压压压压电电电电传传传传感感
50、感感器器器器测测测测量量量量拉拉拉拉力力力力和和和和拉拉拉拉、压压压压交交交交变变变变力力力力及及及及剪剪剪剪力力力力和扭矩。和扭矩。和扭矩。和扭矩。5.4 压电式传感器的应用 压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最终能转换成力的多种物理量。最终能转换成力的多种物理量。5.4.1 5.4.1 微振动检测仪微振动检测仪uPV-96PV-96压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路原理图如图原理图如图5-95-9所示。该电路由电荷放大器和电压调所示。该电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。整放大器组成。图图5-