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1、压电式传感器原理及应用第1页，本讲稿共31页5.3.1 压电式传感器的工作原理l电势型传感器电势型传感器 以压电效应为基础以压电效应为基础压电效应可逆压电效应可逆 “双向传感器双向传感器”l正压电效应正压电效应 某某些些物物质质在在沿沿一一定定方方向向受受到到压压力力或或拉拉力力作作用用而而发发生生改改变变时时，其其表表面面上上会会产产生生电电荷荷；若若将将外外力力去去掉掉时时，它它们们又又重重新新回回到到不不带带电电的的状状态态，这这种种现现象象就就称称为为正正压压电电效效应。应。(加力加力 变形变形 产生电荷产生电荷)上一页下一页返 回第2页，本讲稿共31页l逆压电效应逆压电效应 在在压压
2、电电材材料料的的两两个个电电极极面面上上，如如果果加加以以交交流流电电压压，那那么么压压电电片片能能产产生生机机械械振振动动，即即压压电电片片在在电电极极方方向向上上有有伸伸缩缩的的现现象象，压压电电材材料料的的这这种种现现象象称称为为“电电致致伸伸缩缩效效应应”，也也叫叫做做“逆逆压压电电效效应应”。(施施加加电电场场 电电介介质质产产生变形生变形 应力应力)常见的压电材料有常见的压电材料有石英石英、钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅锆钛酸铅等。等。第3页，本讲稿共31页1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应纵向压电效应”：沿电轴（
3、：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”：沿机械轴（：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返 回第4页，本讲稿共31页晶体切片 l当沿电轴方向加作用力当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷荷 d11压电系数（压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面上一页下一页返 回此时，第5页，本讲稿共31页切片上电荷的符号与受力方向的关系 图（a）是在X轴方向受压力，图
4、（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。上一页下一页返 回第6页，本讲稿共31页石英晶体的压电效应（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷 上一页下一页返 回第7页，本讲稿共31页石英晶体一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为莫氏硬度为7、熔点为、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：优点：转转换换效效率率和和转转换换精精度度高高、线线性性范范围围宽宽、
5、重重复复性性好好、固固有有频频率率高高、动动态态特特性性好好、工工作作温温度度高高达达550（压压电电系系数数不不随随温温度度而而改改变变）、工工作作湿湿度度高高达达100%、稳定性好。、稳定性好。上一页下一页返 回第8页，本讲稿共31页2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应l人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化上一页下一页返 回第9页，本讲稿共31页陶瓷片极化 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。上
6、一页下一页返 回第10页，本讲稿共31页压电陶瓷的正压电效应 l压压电电陶陶瓷瓷片片上上加加上上一一个个与与极极化化反反向向平平行行的的外外力力，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩变变形形，原原来来吸吸附附在在极极板板上上的的自自由电荷，一部分被释放而出现由电荷，一部分被释放而出现放电现象放电现象。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，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，因因此此电电极上又吸附部分自由电荷而出现极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 上一页下一页返 回第11页，本讲
7、稿共31页 Q 电荷量；电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F 作用力。作用力。第12页，本讲稿共31页常见压电陶瓷：（1）钛酸钡（）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的获得不同性能的
8、PZT材料。材料。（3）铌镁酸铅）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。作，可作为高温下的力传感器。上一页下一页返 回第13页，本讲稿共31页5.3.2 等效电路及信号变换电路l1.压电元件的等效电路压电元件的等效电路l2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路上一页下一页返 回第14页，本讲稿共31页1.压电元件的等效电路上一页下一页返 回第15页，本讲稿共31页压电式传感器的等效电路(a)等效为一个电荷源
9、Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 上一页下一页返 回第16页，本讲稿共31页两个压电片的联结方式（a）“并联并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，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地方，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b）“串联串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。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，且测量电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地
10、方。上一页下一页返 回第17页，本讲稿共31页2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压压电电式式传传感感器器要要求求负负载载电电阻阻RL必必须须有有很很大大的的数数值值，才能使测量误差小到一定数值以内。才能使测量误差小到一定数值以内。因因此此常常先先接接入入一一个个高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器，然然后再接一般的放大电路及其它电路。后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出
11、。把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返 回第18页，本讲稿共31页（1）电压放大器Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容上一页下一页返 回第19页，本讲稿共31页前置放大器输入电压 压电元件的力压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为，产生的电荷为Q=d11F。输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0）时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物
12、理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。上一页下一页返 回第20页，本讲稿共31页传感器的低频响应范围 l如如果果被被测测物物理理量量是是缓缓慢慢变变化化的的动动态态量量，而而测测量量回回路路的的时时间间常常数数又又不不大大，则则造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降。因因此此为为了了扩扩大大传传感感器器的的低低频频响响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。l但但这这不不能能靠靠增增加加测测量量回回路路的的电电容容量量来来提提高高时时间间常常数数，因因为为传传感感器器的的电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比
13、比的的，切切实实可可行行的的办办法法是是提提高高测测量量回回路路的的电电阻阻。由由于于传传感感器器本本身身的的绝绝缘缘电电阻阻一一般般都都很很大大，所所以以测测量量回回路路的的电电阻阻主主要要取取决决于于前前置置放放大大器器的的输输入入电电阻阻。放放大大器器的的输输入入电电阻阻越越大大，测测量量回回路路的的时时间间常常数数就就越越大大，传传感感器器的低频响应也就越好。的低频响应也就越好。上一页下一页返 回第21页，本讲稿共31页电压放大器应用限制l压压电电式式传传感感器器在在与与电电压压放放大大器器配配合合使使用用时时，连连接接电电缆缆不不能能太太长长。电电缆缆长长，电电缆缆电电容容Cc就就大
14、大，电电缆缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。l电电压压放放大大器器与与电电荷荷放放大大器器相相比比，电电路路简简单单，元元件件少少，价价格格便便宜宜，工工作作可可靠靠，但但是是电电缆缆长长度度对对传传感感器器测测量量精精度度的的影影响响较较大大，在在一一定定程程度度上上限限制制了了压压电电式式传传感感器在某些场合的应用。器在某些场合的应用。上一页下一页返 回第22页，本讲稿共31页解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。上一页下一页返 回压电式加速度传感器 第23页，本讲稿共31页l压电式加速
15、度传感器的压电元件是二片压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。英晶体灵敏度低的缺陷。第24页，本讲稿共31页（2）电荷放大器）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。压电式传感器另一种专用的前置放大器。能能将将高高内内阻阻的的电电荷荷源
16、源转转换换为为低低内内阻阻的的电电压压源源，而而且且输输出出电电压压正正比比于于输输入入电电荷荷，因因此此，电电荷荷放放大大器器同同样样也也起起着着阻阻抗抗变变换换的的作作用用，其其输输入入阻阻抗抗高高达达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。使使用用电电荷荷放放大大器器突突出出的的一一个个优优点点：在在一一定定条条件件下下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器的灵敏度与电缆长度无关。上一页下一页返 回第25页，本讲稿共31页压电传感器与电荷放大器连接等效电路 K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益
17、足够高，则放大器的输入端的电位接近若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地地”电位。电位。上一页下一页返 回第26页，本讲稿共31页充电电压接近等于放大器的输出电压 几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）上一页下一页返 回第27页，本讲稿共31页5.3.3 压电式加速度传感器压压缩缩式
18、式压压电电加加速速度度传传感感器器结结构构上一页下一页返 回第28页，本讲稿共31页测量原理当当传传感感器器感感受受振振动动时时，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的的作作用用。这这样样，质质量量块块就就有有一一正正比比于于加加速速度度的的交交变变力力作作用用在在压压电电片片上上。由由于于压压电电片片压压电电效效应应，两两个个表表面面上上就就产产生生交交变变电电荷荷，当当振振动动频频率率远远低低于于传传感感器器的的固固有有频频率率时时，传传感感器器的的输输出出电电荷荷（电电压压）与与作作用用力力成成正正
19、比比，亦亦即即与与试试件件的的加速度成正比。加速度成正比。输输出出电电量量由由传传感感器器输输出出端端引引出出，输输入入到到前前置置放放大大器器后后就就可可以以用用普普通通的的测测量量仪仪器器测测出出试试件件的的加加速速度度，如如在在放放大大器器中中加加进进适适当当的的积积分分电电路路，就就可可以以测测出出试试件件的的振振动动速速度度或或位移。位移。上一页下一页返 回第29页，本讲稿共31页5.3.4 压电式测力传感器 压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。l变形方式变形方式：利用纵向压电效应的：利用纵向压电效应的TE方式最简便。方式最简便。l材料选择材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提：决定于所测力的量值大小，对测量误差提 出的要求、工作环境温度等各种因素。出的要求、工作环境温度等各种因素。l晶片数目晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。输出灵敏度增大一倍。上一页下一页返 回第30页，本讲稿共31页单向压电式测力传感器 l用于机床动态切削力的测量。用于机床动态切削力的测量。上一页下一页返 回第31页，本讲稿共31页