1、北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制第七章第七章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應壓電效應 壓電材料壓電材料 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式 等效電路等效電路 測量電路測量電路 壓電式傳感器應用舉例壓電式傳感器應用舉例本章內容：本章內容：測試技術基礎測試技術基礎北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制正壓電效應正壓電效應 某些物質沿一定方向受壓力或拉力作用而發生改變某些物質沿一定方向受壓力或拉力作用而發生改變時，在其表面上會產生電荷；若將外力去掉時，它們又時，在其表面上會產生電荷；若將外力去掉時，它

2、們又重新回到不帶電狀態，這種現象稱為正壓電效應。重新回到不帶電狀態，這種現象稱為正壓電效應。逆壓電效應逆壓電效應 在壓電材料的兩個電極面上，加以交流電壓，壓電在壓電材料的兩個電極面上，加以交流電壓，壓電片能產生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現片能產生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現象，壓電材料的這種現象稱為象，壓電材料的這種現象稱為“電致伸縮效應電致伸縮效應”，也叫，也叫做做“逆壓電效應逆壓電效應”。壓電效應壓電效應 ( piezoelectric effect )7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體壓

3、電效應演示石英晶體壓電效應演示機械能機械能電能電能7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制式中式中x、y、z是與晶軸關連的直角坐標系。是與晶軸關連的直角坐標系。 zzyyxxPPPP壓電系數的軸向表示法壓電系數的軸向表示法 用極化強度矢量表示材料的壓電效應：用極化強度矢量表示材料的壓電效應：7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制xyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxddddddPddddddPddddddP3635343

4、33231262524232221161514131211dm,n為壓電系數，下標為壓電系數，下標m表示產生電荷面的軸向，表示產生電荷面的軸向，n表表示施加作用力的軸向，在圖中，下標示施加作用力的軸向，在圖中，下標1對應于對應于x軸，下軸，下標標2對應于對應于y軸，而下標軸，而下標3對應于對應于z軸。軸。v當材料的受力方向和產生的變形不一樣時，壓當材料的受力方向和產生的變形不一樣時，壓電系數也不同。電系數也不同。 將極化強度寫成軸向應力將極化強度寫成軸向應力與剪應力與剪應力表示的形式：表示的形式： 7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制

5、胥永剛制22,/mNmCdnmmVmmdnm/,主要壓電效應：主要壓電效應：壓電效應作用方向圖壓電效應作用方向圖 壓電系數壓電系數 d d 的量綱的量綱 ( (正壓電效應正壓電效應) )即每單位力輸入時的電荷密度，對于逆壓電效應即每單位力輸入時的電荷密度，對于逆壓電效應即每單位場強作用下的應變。即每單位場強作用下的應變。橫向效應橫向效應縱向效應縱向效應剪切效應剪切效應7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 以石英晶體為例，晶片在電軸以石英晶體為例，晶片在電軸x-x方向上受到壓方向上受到壓應力應力xx作用作用,切片在厚度上產生變形

6、并由此引起極切片在厚度上產生變形并由此引起極化現象，極化強度化現象，極化強度Pxx與應力與應力xx成正比，即成正比，即式中式中Fx沿晶軸沿晶軸x方向施加的壓力；方向施加的壓力； l切片長；切片長； b切片寬；切片寬； d11壓電系數，石英晶體的壓電系數，石英晶體的d11=2.310-12CN-1 。lbFddPxxxxx11117.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制極化強度極化強度Pxx等于切片表面產生的電荷密度，即等于切片表面產生的電荷密度，即 式中式中 qxx垂直于晶軸垂直于晶軸x-x平面上產生的電荷量。平面上產生的電荷量。

7、可得可得 當石英晶體切片受當石英晶體切片受x向壓力作用時，所產生的電荷量向壓力作用時，所產生的電荷量qxx與作用力與作用力Fx成正比，但與切片的幾何尺寸無關。成正比，但與切片的幾何尺寸無關。 lbqPxxxxxxxFdq117.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 式中式中d12石英晶體在石英晶體在yy軸方向受力時的壓電系數；軸方向受力時的壓電系數；ly，lx石英切片的長和厚。石英切片的長和厚。yxyyxyxyFlldFblbldq1212在橫向在橫向 (y-y) (y-y) 施加作用力施加作用力yF7.1 壓電效應壓電效應北京工

8、業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 根據石英晶體軸的對稱條件有根據石英晶體軸的對稱條件有 有有當沿著機軸當沿著機軸y-y方向施加壓力時，產生的電荷量與晶片方向施加壓力時，產生的電荷量與晶片幾何尺寸有關，而該電荷的極性則與沿電軸幾何尺寸有關，而該電荷的極性則與沿電軸x-x方向加方向加壓力時產生的電荷極性相反壓力時產生的電荷極性相反(式中負號式中負號)。 1112ddyxyxyFlldq117.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電材料的主要特性參數壓電材料的主要特性參數 壓電常數是衡量材料壓

9、電效應強弱的參數，它壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電傳感器的輸出靈敏度；直接關系到壓電傳感器的輸出靈敏度； 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限；的頻率下限； 壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特征；固有頻率和動態特征；(1) (1) 壓電常數壓電常數 (2) (2) 彈性常數彈性常數(3) (3) 介電常數介電常數7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機

10、電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(4) (4) 機電耦合系數機電耦合系數 在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量( (如電如電能能) )與輸入能量與輸入能量( (如機械能如機械能) )之比的平方根；它是衡之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數；量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數；(5) (5) 電阻電阻 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性；改善壓電傳感器的低頻特性；(6) (6) 居里點居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。壓電材料開始喪失壓電特性

11、的溫度稱為居里點。壓電材料的主要特性參數壓電材料的主要特性參數7.1 壓電效應壓電效應北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電元件材料一般有三類：壓電元件材料一般有三類： (1) 單晶壓電晶體如上述石英晶體）單晶壓電晶體如上述石英晶體） (2) 多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷(3) 新型壓電材料新型壓電材料 - 壓電半導體壓電半導體 - 高分子壓電材料高分子壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1. 石英晶體石英晶體 一種天然晶體，壓電系數一種天然晶體，壓電系

12、數d112.3110-12C/N；莫氏硬度為莫氏硬度為7、熔點為、熔點為1750、膨脹系數僅為鋼的、膨脹系數僅為鋼的1/30。優點：優點： 轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態特性好、工作溫度高達固有頻率高、動態特性好、工作溫度高達550(壓電壓電系數不隨溫度而改變系數不隨溫度而改變)、工作濕度高達、工作濕度高達100%、穩定性、穩定性好。好。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制x軸：電軸或軸：電軸或1軸；軸；y軸：機械軸或軸：機械軸或

13、2軸；軸；z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸。 “縱向壓電效應縱向壓電效應”：沿電軸：沿電軸(x軸軸)方向的力作用下產生電荷方向的力作用下產生電荷“橫向壓電效應橫向壓電效應”：沿機械軸：沿機械軸(y軸軸)方向的力作用下產生電方向的力作用下產生電荷荷在光軸在光軸(z軸軸)方向時則不產生壓電效應。方向時則不產生壓電效應。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制天然石英晶體外形天然石英晶體外形1. 石英晶體石英晶體7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥

14、永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制石英晶體振蕩器晶振）石英晶體振蕩器晶振）石英晶體在振石英晶體在振蕩電路中工作蕩電路中工作時，壓電效應時，壓電效應與逆壓電效應與逆壓電效應交替作用，從交替作用，從而產生穩定的而產生穩定的振蕩輸出頻率振蕩輸出頻率晶振晶振7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2. 壓電陶瓷壓電陶瓷人工制造的多

15、晶體，壓電機理與壓電晶體不同。人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化（a未極化陶瓷未極化陶瓷 （b正在極化陶瓷正在極化陶瓷 （c極化后陶瓷極化后陶瓷7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制常見壓電陶瓷常見壓電陶瓷(1) 鈦酸鋇鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷壓電陶瓷具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英(2) 鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛Pb(ZrTi)O3系壓電陶瓷系壓電陶瓷(PZT)壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條壓電

16、系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條件變化小，在鋯鈦酸鉛基方中添加一兩種微量元素，件變化小，在鋯鈦酸鉛基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的可以獲得不同性能的PZT材料。材料。(3) 鈮鎂酸鉛鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷壓電陶瓷(PMN)具有較高的壓電系數，在壓力大至具有較高的壓電系數，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續仍能繼續工作，可作為高溫力傳感器。工作，可作為高溫力傳感器。7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形7.2 壓電材料

17、的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形（上海硅酸鹽研究所研制）（上海硅酸鹽研究所研制）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3. 新型壓電材料新型壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 (2) 高分子壓電材料高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子壓電材料有聚偏二

18、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)等。它等。它是一種柔軟壓電材料，可根據需要制成薄膜或電纜套是一種柔軟壓電材料，可根據需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續拉制，制成較大面積或較長尺度，價格便宜，頻率響拉制，制成較大面積或較長尺度，價格便宜，頻率響應范圍較寬，測量動態范圍可達應范圍較寬，測量動態范圍可達80dB。3. 新型壓電材料新型壓電材料7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛

19、制胥永剛制高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式腳踏報警器壓電

20、式腳踏報警器7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應）（逆壓電效應）7.2 壓電材料的分類及特性壓電材料的分類及特性北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(1) 壓電元件的基本變形壓電元件的基本變形(2) 雙晶片元件雙晶片元件7.3 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(1) 壓電元件的基本變形壓電元件的基本變形 1

21、、厚度變形、厚度變形TE方式）方式）2、長度變形、長度變形LE方式）方式）3、面剪切變形、面剪切變形FS方式）方式）4、厚度剪切變形、厚度剪切變形TS方式）方式）5、彎曲變形、彎曲變形BS方式）方式） 7.3 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(2) 雙晶片元件雙晶片元件 實際使用中，采用單片壓電片工作要產生足夠表面實際使用中，采用單片壓電片工作要產生足夠表面電荷就需很大作用力，但測量粗糙度和微壓差時所提供電荷就需很大作用力，但測量粗糙度和微壓差時所提供的力很小，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或兩的力很小

22、，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或兩片以上同型號的壓電元件粘貼在一起。由于壓電晶片有片以上同型號的壓電元件粘貼在一起。由于壓電晶片有電荷極性，因此連接方式有并聯和串聯兩種形式。電荷極性，因此連接方式有并聯和串聯兩種形式。并聯并聯串聯串聯7.3 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制兩個壓電片的聯結方式兩個壓電片的聯結方式 (b) “串聯串聯” Q=Q，U=2U，C=C/2 而串聯接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯接法輸出電壓大，本身電容小。 適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗適宜用于以電壓作輸出信號

23、，且測量電路輸入阻抗很高的地方。很高的地方。(a) “并聯并聯”，Q=2Q，U=U，C=2C 并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方。7.3 壓電元件常用結構形式壓電元件常用結構形式北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制hshsCra0aCQU 7.4 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制(a) 等效為一個電荷源等效為一個電荷源

24、Q與一個電容與一個電容Ca并聯并聯(b) 等效成一個電源等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容和一個電容Ca的串聯的串聯7.4 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 壓電式傳感器要求負載電阻壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數值，必須有很大的數值，才能保證測量誤差較小。才能保證測量誤差較小。 因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。后再接一般的放大電路及其它電路。 測量電路關鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。測量電路關鍵在于高輸入

25、阻抗的前置放大器。 前置放大器兩個作用：前置放大器兩個作用： 把壓電式傳感器的微弱信號放大；把壓電式傳感器的微弱信號放大； 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1、電壓放大器、電壓放大器Ca：傳感器電容：傳感器電容 Ra：傳感器漏電阻：傳感器漏電阻 Cc：連接電纜等效電容：連接電纜等效電容Ri：放大器輸入電阻：放大器輸入電阻Ci：放大器輸入電容：放大器輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器

26、的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件的力壓電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數為壓電元件的壓電系數為d11，產生的電荷為，產生的電荷為Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111 22111icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制當作用力是靜態力當作用力是靜態力(=0)時，前置放大器的輸入

27、電壓時，前置放大器的輸入電壓為零。為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態物理量。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態物理量。壓電式傳感器突出優點：高頻響應相當好。壓電式傳感器突出優點：高頻響應相當好。 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制傳感器的低頻響應范圍傳感器的低頻響應范圍 如果被測物理量是緩慢變化的動態量，而測量回如果被測物理量是緩慢變化的動態量，而測量回路的時間常數又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因路的時間常數又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳感器的低頻響應范圍，就必須盡量提高此

28、為了擴大傳感器的低頻響應范圍，就必須盡量提高回路的時間常數。回路的時間常數。 但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實數，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數就越大，傳感器的低頻響應也就測量回路的時間常數就

29、越大，傳感器的低頻響應也就越好。越好。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制電壓放大器應用限制電壓放大器應用限制 壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳元件少價格便宜，工作可靠，但是電

30、纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應用。壓電式傳感器在某些場合的應用。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制解決電纜問題的辦法解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器的壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯連接的壓電元件是二片并聯連接的石英晶片，放大器是一個超石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。這樣引線小型

31、靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對傳感器零就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。放大器的輸靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補了石英晶體靈號，這樣彌補了石英晶體靈敏度低的缺陷。敏度低的缺陷。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2、電荷放大器、電荷放大器 壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓內阻的電荷源轉換為低內阻的

32、電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因而，電荷放大器同樣也起著阻抗正比于輸入電荷，因而，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達變換的作用，其輸入阻抗高達10101012，輸出阻抗，輸出阻抗小于小于100。 使用電荷放大器突出的一個優點：在一定條件下，使用電荷放大器突出的一個優點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關。傳感器的靈敏度與電纜長度無關。7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 K是放大器的開環增益，是放大器的開環增益，(-K)表示放大器的輸出表示放大器的輸出與輸入反相，若開環增益

33、足夠高，則放大器的輸入端與輸入反相，若開環增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近的電位接近“地電位。地電位。 壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 fficacfCQCKCCCkQUU)1 (0幾點結論：幾點結論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關，而與放大器的放大系數變化或電纜電容有關，而與放大器的放大系數變化

34、或電纜電容等均無關系。電容等均無關系。2、只要保持反饋電容的數值不變，就可得到與電、只要保持反饋電容的數值不變，就可得到與電荷量荷量 Q 變化成線形關系的輸出電壓。變化成線形關系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf 小，輸出就大。小，輸出就大。4、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當的反饋電容。當的反饋電容。5、輸出電壓與電纜電容無關條件：、輸出電壓與電纜電容無關條件：(1+K)Cf (Ca+Cc+Ci)7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制四通道電荷放大

35、器外形四通道電荷放大器外形7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制上圖所示的四通道電荷放大器指標上圖所示的四通道電荷放大器指標（參考東方振動和噪聲技術研究所資料）（參考東方振動和噪聲技術研究所資料）靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC頻率范圍：頻率范圍：0.3100kHz噪聲噪聲(最大增益最大增益)：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5V準準 確確 度：度：1%最大輸出：最大輸出：10V/10mA電電 源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式： 計算機或手動計算機或手動焊接式電荷放大器焊接式電荷

36、放大器7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊主要指標主要指標:靈靈 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選一檔)頻率范圍：頻率范圍：0.3100kHz(上、下限可選上、下限可選)噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV歸歸 一一 化：外接電阻調整化：外接電阻調整線性誤差：線性誤差：1%最大輸出：最大輸出：5V或或10V電電 源：源：6V15V特特 點：可組成經濟的多點測試系統點：可組成經濟的多點測試系統7.5 壓電傳感器的測量電

37、路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制其它電荷放大器外形其它電荷放大器外形面板式電荷放大器面板式電荷放大器7.5 壓電傳感器的測量電路壓電傳感器的測量電路北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電傳感器只能應用于動態測量壓電傳感器只能應用于動態測量 由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感的輸入阻抗，這實際上是

38、不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量在故只適用于動態測量在50kHz以上時，靈敏度下以上時，靈敏度下降）。降）。 7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1. 高分子壓電材料的應用高分子壓電材料的應用1) 玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置 將高分子壓電測將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎

39、可以感受到玻璃破碎時會發出的振動，并時會發出的振動，并將電壓信號傳送給集將電壓信號傳送給集中報警系統。中報警系統。粘貼位置7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2壓電式周界報警系統壓電式周界報警系統 將長的壓電電纜埋將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十音器的作用，可在幾十米范圍內探測人的步行，米范圍內探測人的步行，對輪式或履帶式車輛也對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統可以通過信號處理系統分辨出來。右圖為測量分辨出來。右圖為測量系

40、統的輸出波形。系統的輸出波形。( (用于重要位置出入口、周界安全防護等用于重要位置出入口、周界安全防護等) )7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3. 交通監測交通監測 將高分子壓電電將高分子壓電電纜埋在公路上，可以纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息獲取車型分類信息包括軸數、軸距、包括軸數、軸距、輪距、單雙輪胎）、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收費站地車速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數車區域監控、交通數據信息采集道路監據信息采集道路監控及機場滑行道等。控及機場滑行道等。7.6

41、 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式動態力傳感器以及在車床中用于動態切壓電式動態力傳感器以及在車床中用于動態切削力的測量削力的測量 7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用壓電式步態分壓電式步態分析跑臺析跑臺壓電式縱跳壓電式縱跳 訓練分析裝置訓練分析裝置壓電傳感器測量雙壓電傳感器測量雙腿跳的動態力腿跳的動態力7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工

42、業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制4. 在振動測量中應用在振動測量中應用 1) 振動的基本概念振動的基本概念 振動可分為機械振動、土木結構振動、運輸工具振動可分為機械振動、土木結構振動、運輸工具振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。 從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動和超低頻振動等。和超低頻振動等。 從振動信號的統計特征來看，可將振動分為周期從振動信號的統計特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機振動等。振動、非周期振動以及隨機振動等。 7.6 壓電傳感器的應用壓電

43、傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制地地震震的的巨巨大大威威力力7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制南海南海Ms7.2地震波形記錄圖地震波形記錄圖7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2) 測振傳感器分類測振傳感器分類 測振用傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸測振用傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。下面介紹壓電式測振傳感器及其應用。下面介紹壓電式測振傳感器及其應用。4. 在振動測量中應用在振動測量中應用 7.6 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用北京工業大學機電學院北京工業大學機電學院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3)