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1、传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器主要内容主要内容 1.1.1.1.压电效应压电效应压电效应压电效应 2.2.2.2.压电材料压电材料压电材料压电材料 3.3.3.3.压电元件结构压电元件结构压电元件结构压电元件结构 4.4.4.4.等效电路与测量电路等效电路与测量电路等效电路与测量电路等效电路与测量电路 5.5.5.5.压电传感器的应用压电传感器的应用压电传感器的应用压电传感器的应用 第1页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器概述概述概述概述压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电秤重
2、浮游计压电加速度计压电警号压电警号第2页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器概述概述概述概述压电式传感器以电介质的压电式传感器以电介质的压电式传感器以电介质的压电式传感器以电介质的压电效应压电效应压电效应压电效应为基础，为基础，为基础，为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实 现非电量测量现非电量测量现非电量测量现非电量测量,是一种典型的是一种典型的是一种典型的是一种典型的发电型发电型发电型发电型传感器传感器传感器传感器.压电式传
3、感器可以对各种压电式传感器可以对各种压电式传感器可以对各种压电式传感器可以对各种动态力动态力动态力动态力、机械冲击机械冲击机械冲击机械冲击 和和和和振动振动振动振动进行测量，在声学、医学、力学、导进行测量，在声学、医学、力学、导进行测量，在声学、医学、力学、导进行测量，在声学、医学、力学、导 航方面都得到广泛的应用航方面都得到广泛的应用航方面都得到广泛的应用航方面都得到广泛的应用。第3页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1 6.1 压电效应压电效应 vv 某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形某些
4、电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；相反的电荷；相反的电荷；相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变当作用力方向改变后，电荷的极性也
5、随之改变;这种这种这种这种现象称现象称现象称现象称压电效应压电效应压电效应压电效应。压电现象是晶体缺乏中心对称引起的压电现象是晶体缺乏中心对称引起的,自然界自然界32种种晶体点阵中，有中心对称和非对称两大类，非中心晶体点阵中，有中心对称和非对称两大类，非中心对称的对称的21种中有种中有20种有压电效应。种有压电效应。第4页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1 6.1 6.1 6.1 压电效压电效应应 vv压电效应是可逆的压电效应是可逆的压电效应是可逆的压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，
6、电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称将电能转化成机械能，这种现象称将电能转化成机械能，这种现象称将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应”。压电元件可以将压电元件可以将压电元件可以将压电元件可以将机械能机械能机械能机械能电能电能电能电能也可以将也可以将也可以将也可以将电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能压电元件机械能电能第5页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6
7、.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 自自自自然然然然界界界界许许许许多多多多晶晶晶晶体体体体具具具具有有有有压压压压电电电电效效效效应应应应，但但但但十十十十分分分分微微微微弱弱弱弱，研研研研究究究究发发发发现现现现石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体、钛钛钛钛酸酸酸酸钡钡钡钡、锆锆锆锆钛钛钛钛酸酸酸酸铅铅铅铅是是是是优优优优能能能能的的的的压压压压电电电电材材材材料料料料。压压压压电电电电材材材材料料料料可可可可以以以以分分分分为为为为两两两两类类类类：压压压压电电电电晶晶晶晶体体体体、压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷。石英晶体外形结构石英晶体外形结构
8、石英晶体外形结构石英晶体外形结构石英晶体特征石英晶体特征石英晶体特征石英晶体特征天然、人工两种都属于单晶体天然、人工两种都属于单晶体天然、人工两种都属于单晶体天然、人工两种都属于单晶体化学式为化学式为化学式为化学式为SiOSiOSiOSiO2 2 2 2外形无论再小都呈六面体外形无论再小都呈六面体外形无论再小都呈六面体外形无论再小都呈六面体沿各个方向的特征不同沿各个方向的特征不同沿各个方向的特征不同沿各个方向的特征不同沿沿沿沿X X X X（电轴电轴电轴电轴）作用产生电荷称）作用产生电荷称）作用产生电荷称）作用产生电荷称纵向纵向纵向纵向压电效应压电效应压电效应压电效应沿沿沿沿Y Y Y Y（机
9、械轴机械轴机械轴机械轴）.横向横向横向横向压电效应压电效应压电效应压电效应沿沿沿沿Z Z Z Z（光轴光轴光轴光轴）不产生压电效应）不产生压电效应）不产生压电效应）不产生压电效应第6页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体单晶体（水晶）单晶体（水晶）单晶体（水晶）单晶体（水晶）压电晶片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶第7页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6
10、.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶石英晶石英晶石英晶体体体体 压电元件受力后压电元件受力后压电元件受力后压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系:d d d d为压电系数为常数为压电系数为常数为压电系数为常数为压电系数为常数 在在在在X X X X轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时,压电系数压电系数压电系数压电系数 d d1111 产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为:1 1 1 1为为为为X X X X方向应力方向应力方向
11、应力方向应力 在在在在Y Y Y Y轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时,根据晶体的对称性压电系数根据晶体的对称性压电系数根据晶体的对称性压电系数根据晶体的对称性压电系数 d d12 12=-d=-d1111 产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为:2 2 2 2为为为为Y Y Y Y方向应力方向应力方向应力方向应力 a a a a、b b b b是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸(长长长长 、厚、厚、厚、厚)压电特性的各向异性可用矩阵表示压电特性的各向异性可用矩阵表示压电特性的各向异性可用矩阵表示压电特性的各向异性可用矩阵表
12、示第8页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时当晶体不受力时当晶体不受力时当晶体不受力时F=0F=0F=0F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩 晶
13、体呈晶体呈晶体呈晶体呈中性中性中性中性；当晶体受沿当晶体受沿当晶体受沿当晶体受沿X X X X轴方向的应力时，轴方向的应力时，轴方向的应力时，轴方向的应力时，X X X X方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩 在在在在X X X X轴的正方向出现轴的正方向出现轴的正方向出现轴的正方向出现正电荷正电荷正电荷正电荷；当晶体受沿当晶体受沿当晶体受沿当晶体受沿Y Y Y Y轴方向的应力时，轴方向的应力时，轴方向的应力时，轴方向的应力时，Y Y Y Y方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩 在在在在X
14、X X X轴的正方向出现轴的正方向出现轴的正方向出现轴的正方向出现负电荷负电荷负电荷负电荷；晶体受沿晶体受沿晶体受沿晶体受沿Z Z Z Z轴方向的应力时轴方向的应力时轴方向的应力时轴方向的应力时X X X X、Y Y Y Y方向形变相同不产生压电效应；方向形变相同不产生压电效应；方向形变相同不产生压电效应；方向形变相同不产生压电效应；应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。第9页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2
15、6.2 压电材料压电材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型第10页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶石英晶石英晶石英晶体体体体动画演示动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示第11页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.
16、2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.1 6.2.1 6.2.1 6.2.1 石英晶石英晶石英晶石英晶体体体体 石英晶体的石英晶体的石英晶体的石英晶体的主要性能参数：主要性能参数：主要性能参数：主要性能参数：1.1.1.1.压电常数；压电常数；压电常数；压电常数；2.2.2.2.弹弹弹弹性性性性常常常常数数数数（动动动动态态态态特特特特性）；性）；性）；性）；3.3.3.3.介电常数；介电常数；介电常数；介电常数；4.4.4.4.机械耦合系数；机械耦合系数；机械耦合系数；机械耦合系数；5.5.5.5.电阻（密度）；电阻（密度）；电阻（密度）；电阻（密度）；6.6.6.6.居里点温度。居里
17、点温度。居里点温度。居里点温度。第12页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷是是是是人人人人工工工工制制制制造造造造的的的的多多多多晶晶晶晶体体体体压压压压电电电电材材材材料料料料，材材材材料料料料的的的的内内内内部部部部晶晶晶晶粒粒粒粒有有有有许许许许多多多多自自自自发发发发极极极极化化化化的的的的电电电电畴畴畴畴，它它它它有有有有一一一一定定定定的
18、的的的极极极极化方向。化方向。化方向。化方向。无无无无电电电电场场场场作作作作用用用用时时时时，电电电电畴畴畴畴在在在在晶晶晶晶体体体体中中中中分分分分布布布布杂杂杂杂乱乱乱乱分分分分布布布布，极极极极化相互抵消，呈中性。化相互抵消，呈中性。化相互抵消，呈中性。化相互抵消，呈中性。第13页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 压电陶瓷（人工多晶体）压电陶瓷（人工多晶体）压电陶瓷（人工多晶体）压电陶瓷（人工多晶体）施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化
19、化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向外外电电场场方方向向排排列列。外外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴极极化化方方向向基基本本不不变变，剩剩余余极极化化强强度度很很大大。所所以以，压压电电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。第14页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）
20、压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）第15页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.2 6.2.2 6.2.2 6.2.2 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）晶晶晶晶体体体体极极极极化化化化后后后后，沿沿沿沿极极极极化化化化方方方方向向向向（垂垂垂垂直直直直极极极极化化化化平平平平面面面面）作作作作用用用用力力力力时时时时，引引引引起起起起剩剩剩剩余余余余极极极极化化化化强强强强度度度度变变变变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，化，在极化面
21、上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，电荷密度：电荷密度：电荷密度：电荷密度：d33d33压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，d33 d33 比比 d11d11、d12d12大的多大的多大的多大的多所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高，但所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高，但所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高，但所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。极化后的压
22、电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（随时间延长（随时间延长（随时间延长（2 2 2 2年后）年后）年后）年后）d33d33d33d33会下降，作为传感器使用会下降，作为传感器使用会下降，作为传感器使用会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。时要经常校准修正。时要经常校准修正。时要经常校准修正。第16页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.2 6.2 6.2 6.2 压电材料压电材料6.2.3 6.2.3 6.2.3 6.2.3 聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯压
23、电材料压电材料压电材料压电材料 聚聚偏偏氟氟乙乙烯烯压压压压电电电电效效效效应应应应石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而PVF2、PVDF材料能很好的克服这一材料能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。这些材料分子链中这些材料分子链中CF键具有极键具有极性，有一定的偶极矩，通常晶胞性，有一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应。必须经过特殊处没有压电效
24、应。必须经过特殊处理才会具有良好的压电效应。理才会具有良好的压电效应。经过拉伸、极化过程。经过拉伸、极化过程。第17页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.3 6.3 6.3 6.3 压电元件结构形式压电元件结构形式 在在在在实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中为为为为提提提提高高高高灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度使使使使表表表表面面面面有有有有足足足足够够够够的的的的电电电电荷荷荷荷，常常常常常常常常把把把把两两两两片片片片、四四四四片片片片压压压压电电电电元元元元件件件件组组组组成成成成在在在在一一一一起起起起使使使使用用用用。由由由由于于于于
25、压压压压电电电电材材材材料料料料有有有有极极极极性性性性，因因因因此此此此存存存存在在在在连连连连接接接接方方方方法法法法，双双双双片连接时：片连接时：片连接时：片连接时：U+_+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _vv 按按+-+-+连接时电路串联连接时电路串联电压增加一倍适用于电压放大器电压增加一倍适用于电压放大器电压增加一倍适用于电压放大器电压增加一倍适用于电压放大器+_+_Uvv 按按+-+-+-+-连接时电路并联连接时电路并联电荷增加一倍适用于电荷放大器电荷增加一倍适用于电荷放大器电荷增加一倍适用于电荷放大器电荷增加一倍适用于电
26、荷放大器+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+第18页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.1 6.4.1 6.4.1 6.4.1 压电传感器等效电路压电传感器等效电路压电传感器等效电路压电传感器等效电路 压电元件电荷压电元件电荷压电元件电荷压电元件电荷Q QQ Q的开路电压的开路电压的开路电压的开路电压U UU U可等效为可等效为可等效为可等效为 电压源电压源电压源电压源U UU U与电容与电容与电容与电容CaCaC
27、aCa串联；串联；串联；串联；电荷源电荷源电荷源电荷源Q QQ Q和电容和电容和电容和电容CaCaCaCa并联。并联。并联。并联。一个电容为一个电容为一个电容为一个电容为CaCa的电容器极板上聚集有的电容器极板上聚集有的电容器极板上聚集有的电容器极板上聚集有QQ电荷时，电荷时，电荷时，电荷时，两极板间的电压为：两极板间的电压为：两极板间的电压为：两极板间的电压为：等效电容为：等效电容为：第19页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.1 6.4.1 6.4.1 6.4.1 压
28、电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电路路路路 等效电压源 等效电流源 传感器接测量电路时还要考虑传感器接测量电路时还要考虑传感器接测量电路时还要考虑传感器接测量电路时还要考虑 电缆等效电容电缆等效电容电缆等效电容电缆等效电容CcCcCcCc、输入电容输入电容输入电容输入电容CiCiCiCi、放大器输入电阻放大器输入电阻放大器输入电阻放大器输入电阻RiRiRiRi、传感器漏电阻传感器漏电阻传感器漏电阻传感器漏电阻RaRaRaRa。测量仪器前置放大传感器 压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器简单测量系统简单测量系统简单测量系统简单测量系统第20页/共41页传感器原理及
29、应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.1 6.4.1 6.4.1 6.4.1 压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电路路路路 vv根据等效电路压电传感器灵敏度有两种根据等效电路压电传感器灵敏度有两种根据等效电路压电传感器灵敏度有两种根据等效电路压电传感器灵敏度有两种 等效电压源 等效电流源根据它们之间的关系有：根据它们之间的关系有：根据它们之间的关系有：根据它们之间的关系有：电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度第21页/共41
30、页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.1 6.4.1 6.4.1 6.4.1 压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电路路路路 由等效电路可见，只有在负载由等效电路可见，只有在负载由等效电路可见，只有在负载由等效电路可见，只有在负载R R R RL L L L时（无漏电），受力产生的电荷时（无漏电），受力产生的电荷时（无漏电），受力产生的电荷时（无漏电），受力产生的电荷QQQQ才能长期才能长期才能长期才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率
31、较低时必须保证保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证R R R RL L L L很大很大很大很大,使使使使R R R RL L L LCa=Ca=Ca=Ca=足够大足够大足够大足够大。压电元件内阻很高需要前置电路有高的输入阻抗。压电元件内阻很高需要前置电路有高的输入阻抗。压电元件内阻很高需要前置电路有高的输入阻抗。压电元件内阻很高需要前置电路有高的输入阻抗。前置电路有两个作用前置电路有两个作用前置电路有两个作用前置电路有两个作用 一是一是一是
32、一是放大微弱的信号放大微弱的信号放大微弱的信号放大微弱的信号、二是、二是、二是、二是阻抗变换阻抗变换阻抗变换阻抗变换 根据等效电路压电元件输出可以根据等效电路压电元件输出可以根据等效电路压电元件输出可以根据等效电路压电元件输出可以是电压源也可以是电荷源。是电压源也可以是电荷源。是电压源也可以是电荷源。是电压源也可以是电荷源。因此，因此，因此，因此，前置放大器也有两种形式：前置放大器也有两种形式：前置放大器也有两种形式：前置放大器也有两种形式：电压放大器电压放大器电压放大器电压放大器、电荷放大器、电荷放大器、电荷放大器、电荷放大器第22页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章
33、压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （1 1 1 1）电压放大器）电压放大器）电压放大器）电压放大器电压放大器等效电压放大器等效电路示意图第23页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （1 1 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
34、抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，产生的电荷与电压也按正弦变化产生的电荷与电压也按正弦变化产生的电荷与电压也按正弦变化产生的电荷与电压也按正弦变化:理想情况输入电压幅值理想情况输入电压幅值输入的实际幅值输入的实际幅值输入的实际幅值输入的实际幅值（有效值）（有效值）（有效值）（有效值）dd压电系数压电系数压电系数压电系数 信号频率信号频率信号频率信号频率R=Ra/RiR=Ra/RiR=Ra/RiR=Ra/Ri相位差相位差相位差相位差第24页/共41页传感
35、器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （1 1 1 1）电压放）电压放）电压放）电压放大器大器大器大器v 传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：令前置放大器输入回路的时间常数为：令前置放大器输入回路的时间常数
36、为：令前置放大器输入回路的时间常数为：令前置放大器输入回路的时间常数为：相对幅频特性和相频特性分别为：相对幅频特性和相频特性分别为：相对幅频特性和相频特性分别为：相对幅频特性和相频特性分别为：理想理想理想理想实际实际实际实际第25页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电等效电路与测量电路路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路讨论：讨论：讨论：讨论：（1 1 1 1）电压放大器）电压放大器）电压放大器）电压放大器 压电传感器不能测量静态物理量；压电传感器不能测
37、量静态物理量；压电传感器不能测量静态物理量；压电传感器不能测量静态物理量；当当当当3333时输入与信号频率无关，高频响应特性好，时输入与信号频率无关，高频响应特性好，时输入与信号频率无关，高频响应特性好，时输入与信号频率无关，高频响应特性好，优点优点优点优点；提高低频响应的办法是增大提高低频响应的办法是增大提高低频响应的办法是增大提高低频响应的办法是增大，但不能靠输入电容，但不能靠输入电容，但不能靠输入电容，但不能靠输入电容Ca,Ca,Ca,Ca,因为电因为电因为电因为电 压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻压灵敏度与电容成反比。实际
38、是增大前置输入回路电阻压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻Ri.Ri.Ri.Ri.。从传感器电压灵敏度从传感器电压灵敏度从传感器电压灵敏度从传感器电压灵敏度KuKuKuKu可见，连接电缆的分布电容可见，连接电缆的分布电容可见，连接电缆的分布电容可见，连接电缆的分布电容CcCcCcCc影响传影响传影响传影响传 感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对 电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的电缆长度变化很敏感，这是电压放大
39、器的电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点缺点缺点缺点。第26页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电等效电路与测量电路路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 电压放大器实例：电压放大器实例：电压放大器实例：电压放大器实例：阻抗变换电路，用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举阻抗变换电路，用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举阻抗变换电路，用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举阻抗变换电路，用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举反馈电路
40、（跟随器）。反馈电路（跟随器）。反馈电路（跟随器）。反馈电路（跟随器）。R1R1、R2R2分压，经分压，经分压，经分压，经 RgRg耦合作场效应管偏置。耦合作场效应管偏置。耦合作场效应管偏置。耦合作场效应管偏置。观察观察观察观察RgRg两端电压，信号到经两端电压，信号到经两端电压，信号到经两端电压，信号到经C1C1耦合到耦合到耦合到耦合到RgRg的的的的A A端，由于场效应管跟随作用，使端，由于场效应管跟随作用，使端，由于场效应管跟随作用，使端，由于场效应管跟随作用，使S S（源）（源）（源）（源）GG（栅）间电压大小近似相等、相位相同。（栅）间电压大小近似相等、相位相同。（栅）间电压大小近似
41、相等、相位相同。（栅）间电压大小近似相等、相位相同。信号经信号经信号经信号经C2C2耦合到耦合到耦合到耦合到RgRg的的的的B B端，这时端，这时端，这时端，这时RgRg两端电两端电两端电两端电压近相等，压近相等，压近相等，压近相等，RgRg上的电流很小，意味着场效上的电流很小，意味着场效上的电流很小，意味着场效上的电流很小，意味着场效应管的输入阻抗并没有因分压电路而降低。应管的输入阻抗并没有因分压电路而降低。应管的输入阻抗并没有因分压电路而降低。应管的输入阻抗并没有因分压电路而降低。第27页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.
42、4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （2 2 2 2）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器 为为为为解解解解决决决决电电电电缆缆缆缆分分分分布布布布电电电电容容容容CcCcCcCc对对对对传传传传感感感感器器器器灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度的的的的影影影影响响响响和和和和低低低低频频频频响响响响应应应应差差差差的的的的缺缺缺缺点点点点可可可可采采采采用用用用电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大，而而而而且且且且集集集集成成成成运运运运放放放放组组组组成成成成的的的的电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大
43、器器器器有有有有较较较较好好好好的的的的性性性性能能能能。电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器是是是是一一一一种种种种输输输输出出出出电电电电压压压压与与与与输输输输入入入入电电电电荷荷荷荷量量量量成成成成正正正正比比比比的的的的前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器。利利利利用用用用电电电电容容容容作作作作反反反反馈馈馈馈元元元元件件件件的的的的深深深深度度度度负负负负反反反反馈馈馈馈的的的的高高高高增增增增益运放。益运放。益运放。益运放。其输出电压为：其输出电压为：其输出电压为：其输出电压为：压电传感器的输入电路由一个反馈电容压电传感器的输入电路由一个反馈电容压电传感器的输入电路由一
44、个反馈电容压电传感器的输入电路由一个反馈电容CfCf和和和和高增益运算放大器构成。因运放输入端阻抗高，高增益运算放大器构成。因运放输入端阻抗高，高增益运算放大器构成。因运放输入端阻抗高，高增益运算放大器构成。因运放输入端阻抗高，几乎无分流，可忽略几乎无分流，可忽略几乎无分流，可忽略几乎无分流，可忽略RaRa、RiRi并联电阻并联电阻并联电阻并联电阻第28页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6.4 等效电路与测量电路等效电路与测量电路6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （2 2
45、2 2）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器工作频率足够高时（工作频率足够高时（工作频率足够高时（工作频率足够高时（RfXcRfXcRfXcRfXc），忽略（），忽略（），忽略（），忽略（1+A1+A1+A1+A）/R/R/R/Rf f f fCCCCf f f f 可求得电荷放大器输出电压可求得电荷放大器输出电压可求得电荷放大器输出电压可求得电荷放大器输出电压 可认为电荷放大器可认为电荷放大器可认为电荷放大器可认为电荷放大器一般都满足理想条件一般都满足理想条件一般都满足理想条件一般都满足理想条件当当当当A 1A 1A 1A 1满足，通常满足，通常满足，通常满足，通常A=104A=1
46、04A=104A=104108108108108通常通常通常通常:Ca=:Ca=:Ca=:Ca=几十几十几十几十pf,Cc=100pf/m,pf,Cc=100pf/m,pf,Cc=100pf/m,pf,Cc=100pf/m,Cf=102-108pf,A105,Cf=102-108pf,A105,Cf=102-108pf,A105,Cf=102-108pf,A105,（1+A1+A1+A1+A）Cf Ca+Ci+CcCf Ca+Ci+CcCf Ca+Ci+CcCf Ca+Ci+Cc第29页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.4 6.4 6.4 6
47、.4 等效电路与测量电等效电路与测量电路路 6.4.2 6.4.2 6.4.2 6.4.2 测量电路测量电路测量电路测量电路（2 2 2 2）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器讨论：讨论：讨论：讨论：l 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 U0 0 0 0只只只只取取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QQQQ和和和和反反反反馈馈馈馈电电电电容容容容C C C Cf f f f，输输输输出出出出电电电电压压压压与与与与电电电电缆缆缆缆电电电电容容容容CcCcCcCc无无无无关关关关，与与与与Q QQ Q成成成成正
48、正正正比比比比，与与与与电电电电容容容容CfCfCfCf成成成成反反反反比比比比，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突突突突出出出出优优优优点点点点。考考考考虑虑虑虑不不不不同同同同量量量量程程程程因因因因素素素素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以以以以选选选选择择择择的的的的电电电电容容容容，一一一一般般般般为为为为100100100100104pF104pF104pF104pF。l l 缺缺缺缺点点点点是是是是电电电电路路路路复复复复杂杂杂杂，价价价价格格格格昂昂昂昂贵贵贵贵，使使使使用用用用电电电电荷荷荷荷放放放放
49、大大大大器器器器，电电电电缆缆缆缆长长长长度度度度变变变变化化化化影影影影响响响响可可可可忽略，并且允许使用长电缆工作。忽略，并且允许使用长电缆工作。忽略，并且允许使用长电缆工作。忽略，并且允许使用长电缆工作。第30页/共41页传感器原理及应用传感器原理及应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6 6 6 65 5 5 5 压电传感器的应压电传感器的应用用1 1 1 1压电晶体振荡器；压电晶体振荡器；压电晶体振荡器；压电晶体振荡器；2.2.2.2.压电式测力传感器压电式测力传感器压电式测力传感器压电式测力传感器3 3 3 3压电加速度计传感器；压电加速度计传感器；压电加速度计传感器；压电加
50、速度计传感器；4 4 4 4压电式玻璃破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器；5 5 5 5血压测量；血压测量；血压测量；血压测量；6 6 6 6压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；收听器、超声波换能器；收听器、超声波换能器；收听器、超声波换能器；7 7 7 7新型压电材料（聚偏二氟乙烯）新型压电材料（聚偏二氟乙烯）新型压电材料（聚偏二氟乙烯）新型压电材料（聚偏二氟乙烯）第31页/共41页传感器原