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1、 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，是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，从而实现非电量测量。在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。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换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。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
2、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、电电声声学学等等许许多多技技术术领领域域中中获获得得了了广广泛的应用。泛的应用。第第六章六章 压电式传感器压电式传感器 压电效应压电材料压电式传感器的测量电路一、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
3、时时在在它它的的某某两两个个表表面面上上产产生生极极性性相相反反的的电电荷荷，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的现现象象。当当作作用用力力方方向向改变时，电荷极性也随着改变。改变时，电荷极性也随着改变。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压
4、电效应石英晶体的压电效应压电陶瓷的压电效应（一）石英晶体的压电效应（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
5、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。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
6、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+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心心重重合合，电电偶偶极极矩矩的的矢矢量量和和等等于于零，即零，即 P1P2P30Y+-X(a)FX=0P1P2P3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：
7、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荷，在在Y、Z轴轴方方向向则不出现电荷。则不出现电荷。FXXY+FX(b)FX0+-P1P2P3（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的拉力（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。可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿X(电轴电轴)方向的力方向
8、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。(c)FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+FXXY+FX(b)FX1，即即作作用用力力变变化化频
9、频率率与与测测量量回回路路时时间间常常数数的的乘乘积积远远大大于于1时时。前前置置放放大大器器的的输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关。一一般般认认为为/03，可可近近似似看看作作输输入入电电压压与与作作用用力力频频率率无无关关。这这说说明明，在在测测量量回回路路时时间间常常数数一一定定的的条条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。结合结合：但但是是，当当被被测测动动态态量量变变化化缓缓慢慢，而而测测量量回回路路时时间间常常数数不不大大时时，会会造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降，因因而而要要扩扩大大工工作作频频带带的的低低频频端端
10、，就就必必须须提提高高测测量量回回路路的的时时间间常常数数。但但是是靠靠增增大大测测量量回回路路的的电电容容来来提提高高时时间间常常数数，会会影影响响传传感感器器的的灵敏度。根据传感器电压灵敏度灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得的定义得:因为因为R1，故上式可以近似为，故上式可以近似为因为因为R1，故上式可以近似为，故上式可以近似为可可见见，Ku与与回回路路电电容容成成反反比比，增增加加回回路路电电容容必必然然使使Ku下下降降。为为此此常常将将Ri很很大大的的前前置置放放大大器器接接入入回回路路。其其输输入入内内阻阻越越大大，测测量量回回路路时时间间常常数数越越大大，则则传传感感器器低低
11、频频响响应应也也越越好好。当当改改变变连连接接传传感感器器与与前前置置放放大大器器的的电电缆缆长长度度时时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。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：A0CaUUSC电荷放大器
12、原理电路图(忽略了运放输入电阻、电缆电容、输入电容)iRaqCFRFA0CaUUSC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF画出等效电路图画出等效电路图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(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)RF。由：等效电路图等效电路图A0CaRaRCUSCUq运放输入电压运放输入电压输出电压输出电压当当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
13、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。一般而言。一般而言1RFCF若考虑电缆电容若考虑电缆电容Cc，则有，则有A0CaRaRCUSCUq可见当可见当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。当当A0足够大时，有足够大时，有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，则及及则可计算产生的
14、误差为则可计算产生的误差为由此得由此得A0105。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，则有计算误差表达式计算误差表达式当当工工作作频频率率很很低低时时，分分母母中中的的电电导导1/Ra+(1+A0)/RF与与电电纳纳jCaCc(1+A0)CF的的值值相相当当，电电导导就就不不可可忽忽略。此时略。此时A0足够大，则足够大，则其幅值为其幅值为当当1/RF=CF时时可可见见这这是是截截止止频频率率点点的的输输出出电电压压，
15、增增益益下下降降3dB时时对对应应的下限截止频率为的下限截止频率为USC与与q间的相位误差间的相位误差可见压电式传感器配用电荷放大器时可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数差和截止频率只决定于反馈电路的参数RF和和CF,其中其中CF的的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率作频带下限截止频率fL时时,反馈电阻反馈电阻RF值也可确定。如当值也可确定。如当CF=1000pF,fL=0.16Hz时时,则要求则要求RF109。当当A0足够大时，有足够大时，有截止频率截止频率
16、四、压电式传感器的应用四、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器（二）粗糙度测量传感器（二）粗糙度测量传感器（三）压电式压力传感器（三）压电式压力传感器（四）压电式流量计（四）压电式流量计（五）集成压电式传感器（五）集成压电式传感器（六）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用（六）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用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
17、惯惯性性力力作用在压电陶瓷片上产生电荷为作用在压电陶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固在在一一起起。输输出出信信号号由由电
18、电极极1引出。引出。qd33Fd33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与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。为了提高传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瓷片。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，同时会降低振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，因此一般不用增加质量办法来动系统的固有频率，因此一般不用增加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敏
19、度。合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。qd33Fd33ma连连接接方方式式：图图(a)为为并并联联形形式式，片片上上的的负负极极集集中中在在中中间间极极上上，其其输输出出电电容容C为为单单片片电电容容C的的两两倍倍，但但输输出出电电压压U等等于于单单片片电电压压U，极极板上电荷量板上电荷量q为单片电荷量为单片电荷量q的两倍，即的两倍，即图图(b)为为串串联联形形式式，正正电电荷荷集集中中在在上上极极板板，负负电电荷荷集集中中在在下下极极板板，而而中中间间的的极极板板上上产产生生的的负负电电荷荷与与下下片片产产生生的的正正电电荷荷相相互互抵抵消消。从从图中可知，输出的总电荷图中可知，输出的总电
20、荷q等于单等于单片电荷片电荷q，而输出电压而输出电压U为单片电压为单片电压U的二倍，总电容的二倍，总电容C为单片电容为单片电容C的的一半，即一半，即+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+l并并联联接接法法，输输出出电电荷荷大大，时时间间常常数数大大，宜宜用用于于测测量量缓缓变变信信号号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。并且适用于以电荷作为输出量的场合。l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，适适用用于于以以电电压压作作为为输输出出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。粗糙度测量传感器上图为小型粗糙度测量仪的压电传感器，它采用中线制一次
21、积分式，即传感器沿被测表面往复运动一次，所得信号电压经放大和积分在表头上指示出粗糙度的平均算术偏差值。这种量仪又称为轮廓仪。测量时驱动箱带动传感器沿被测表面滑行，触针1靠自重及片簧4的弹力与工件接触，感受被测表面的粗糙度而上下运动。通过针杆3把运动传给压电元件7。压电元件尾部粘了一块有机玻璃9，它插在件10的槽内，槽内充满硅油。硅油是一种粘滞性很强的液体，当触针1随工件微观轮廓快速运动时，液体摩擦很大，可以认为片9被夹紧在塑料块10的槽内，这时可把压电元件7看成一悬臂梁。于是，悬臂梁一端上下运动，在其两极便产生与工件表面粗糙度成正比的电信号。（二）（二）粗糙度测量传感器粗糙度测量传感器（三）（
22、三）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
23、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（四）（四）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
24、正比比。据据这这个个关关系系，可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（四）
25、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1F.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
26、）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（五）压电式传感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
27、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），），两者时间两者时间差为差为t=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又又L=LA+LB（2）LABO点LALB地面1、检测原理、检测原理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
28、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两两点点用用双双线线扫扫描描同同时时开开始始记记录录，在在示示波波器器上上两两脉脉冲冲到到达达的的时时间间差差就就是是t。实实际际的的困困难难在在于于漏漏水水声声是是连连续续不不断断发发出出的的，在在A、B两两传传感感器器测测得得的的是是一一片片连连续续不不断断，幅幅度度杂杂乱乱变变化化的的噪噪声声。相相关关检检漏漏仪仪的的功功能能就就是是要要将将这这两两路路表表面面杂杂乱乱无无章章的的信信号号找找出出规规律律来来，把把它它们们“对对齐齐”，对对齐齐移移动动所所需需要要的的时时间间就就是是t。2 2、水漏探测仪设计水漏探测仪设计 前前放放带通滤波带通滤波放放大大低通滤波低通滤波传感器传感器B发发送送前前放放带通滤波带通滤波放放大大低通滤波低通滤波传感器传感器A主主机机接接收收管管道道