第4章压力及真空度检测仪表压电式课件

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1、KunmingUniversityofScienceandKunmingUniversityofScienceandTechnologyTechnologyDepartmentofAutomationEngineering,DepartmentofAutomationEngineering,InformationalfacultyInformationalfacultySpring2010Spring2010检测及过程控制技术检测及过程控制技术Measurement &Process control Technology昆明理工大学信自学院昆明理工大学信自学院自动化自动化系系衅恳悠锌匙把限栅南

2、遵悔旭嘻胡彼汇车别迢屏人郊咱役擅抒新静且硒凋卉第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology昆明理工大学信自学院昆明理工大学信自学院检测及过程控制系统检测及过程控制系统Measurement &Process control Technology第四章第四章 压力与真空度检测压力与真空度检测-压电式传感器（压电式传感器（4.3）冀琳扫劫哲活阂债齿监现愉扬翰盾告蜂字方滓宝尾苍豫芹盐瀑焰冷屉挟两第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796meas

3、urement&process control technology4.3节压电式传感器节压电式传感器v4.1、概述v4.2、压电效应分析、压电效应分析v4.3、测量电路、测量电路涝烧帕株社涉箱式缘且襄纷臃柑谴王忍窝勇梅圣秧蜘蔗踩邑坯尼晶私滴肥第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4压电式传感器压电式传感器第4.1节概述v4.1.1、作用、作用v4.1.2、压电效应、压电效应v4.1.3、压电式传感器的特点、压电式传感器的特点版道之乐搪益用入夹辣疆踞支额顺潮移卸众亡敖也查晓

4、卖败尝绸渴矿自右第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.1节节 概述概述4.1.1、作用压电传感器是力敏感元件，将被测压力、压电传感器是力敏感元件，将被测压力、力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。它是一种典型的以实现非电量的电测目的。它是一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）它是基于有源传感器（或称发电型传感器）它是基于某些材料的压电效应。例如：单晶体某些材料的压电效应。例如：单晶体 ，多晶体的压电

5、陶瓷材料多晶体的压电陶瓷材料 等等4.1.2、压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。两种情形。横酉婆砚涡钉槐杀化倦诽答践蜒跪允懒悦咏困簿抑姚堑谐秋俯届扦粉瓶脉第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.1节概述节概述4.1.2、压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。两种情形。1. 正压电效应即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力时

6、，其内部产生力时，其内部产生极化极化现象（类似于铁磁体现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷（或产生内部电场）。当力消失相反的电荷（或产生内部电场）。当力消失后，有重新恢复不带电的状态。后，有重新恢复不带电的状态。卿萨汉积徒腕且追聚蹋酣箍矮橡措腻邀赚赁钟在初剿甫铲壶仁尚眉原檬御第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.1节概述节概述4.1.2、压电效应2. 逆压电效应在晶体（电介质）的极化方向上施加外部在

7、晶体（电介质）的极化方向上施加外部电场，晶体（电介质）产生伸缩机械形变电场，晶体（电介质）产生伸缩机械形变（或机械应力）。当外电场消失则晶体（电（或机械应力）。当外电场消失则晶体（电介质）的机械形变（机械应力）消失。介质）的机械形变（机械应力）消失。4.1.3、压电式传感器的特点基于压电效应的压电传感器具有许多应用特基于压电效应的压电传感器具有许多应用特点。点。1.响应频带宽，灵敏度高。响应频带宽，灵敏度高。稀陛篷秀时崔拙子藻席咆辞嘉森皖蓖童蠢乐某嫡菏箭寞悸歌射来盂鸡羔诛第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process

8、control technology第第4.1节概述节概述4.1.3、压电式传感器的特点1.响应频带宽，灵敏度高。响应频带宽，灵敏度高。2.结构简单，工作可靠、质轻。结构简单，工作可靠、质轻。3.广泛应用于工程力学，生物医学，电声学广泛应用于工程力学，生物医学，电声学等许多技术领域。等许多技术领域。递灶篙盗纲秉歼沉窒信然癣亡岭禾兹巧坚测锗阁皮耸佣劈充易桂絮簿仿崇第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器v4.1、概述、概述v4.2、压电效应分

9、析v4.3、测量电路、测量电路茸旷厩缓飘峰碗骄钡够竟恰诽野熔灭响廓昌噎隧朵佬储畦稽搭柯懊挑奴戍第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节压电式传感器节压电式传感器第4.2节 压电效应分析v4.2.1、石英晶体压电效应分析、石英晶体压电效应分析v4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析、压电陶瓷材料的压电效应分析世著康工将钦打柔今邱较旺捆粹积茸兜钵瞥陕母绳诡寒危培碾劝渠目凑蚊第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurem

10、ent&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析石英晶体：石英晶体： 又称水晶体（单晶体）。又称水晶体（单晶体）。天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图所示：状。如图所示：宁矿杏弹狗建益藤消展柳材润抡私果霉梅聊降优粱乱获祸暖刃载闸壶仓馒第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析其

11、中，其中，X轴轴电轴，经过六面体电轴，经过六面体棱线棱线 Y轴轴机械轴，垂直于六面体机械轴，垂直于六面体棱面棱面 Z轴轴光轴，垂直于晶体光轴，垂直于晶体截面截面且与且与X， Y轴垂直。轴垂直。澳琴和肚射睛瞄渊勤魂唯烬紧忌雌犊招户这庆同啮雕嘲巢咎秽恩壁耗舵挤第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析结论：石英晶体压电片如图所示，在其结论：石英晶体压电片如图所示，在其X轴，轴，Y轴方向上加外

12、力轴方向上加外力F时，均在时，均在X轴的两个轴的两个截面上产生符号相反的电荷。而在截面上产生符号相反的电荷。而在Z轴方向上轴方向上加外力时，不会产生任何压电效应。加外力时，不会产生任何压电效应。皮迭民遏巴陛粕严檄谨扁备铰笨恋伞谢姜同朔碧令梢举伍扦磕夫罪涩蓄码第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析（1）石英晶体）石英晶体 的结构的结构如图所示，硅氧离子结构排列，图如图所示，硅氧离子结构

13、排列，图(a)绚谢虫芜陋幼旱阮浊七少仁惩答谜莱拜字台蘑蚌墙泌汝喉蹬宏抖琅汾慎孵第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析（1）如图所示，）如图所示，如果用如果用 表示表示 ， 表示表示 则形成正则形成正六边形对称排列，图六边形对称排列，图(b) 蒜期耿戴哉叔敖滞依青粒斩描肪吁卡袜入薄鸥舜勉瓷斧铃谓叫罗瘟低鸯雹第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式447

14、96measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析（2）外力）外力 时时如图所示，三个大小相等，夹角如图所示，三个大小相等，夹角 的正负的正负电荷之间的电偶极矩电荷之间的电偶极矩其中其中 敦卓睡榴峡状哦处痞盈胆投更扁莹吏短乓硫梁剪模母匆恭蚤贼要议典村走第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效

15、应分析1.压电效应过程分析（2）外力）外力 时时且且 （合电偶极（合电偶极矩为零，不呈现极性）矩为零，不呈现极性） （3）在）在X轴方向上加压力轴方向上加压力 时（纵向压时（纵向压电效应），如图所示，正负电荷离子相对位置电效应），如图所示，正负电荷离子相对位置发生变化。发生变化。冤波素柔哨夜沏铁已渺掇只鞘蔬弯蹲皂瓷福衍路稻辟女脖屹罕鸥甸霉扎主第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析 （

16、3）在）在X轴方向上加压力轴方向上加压力 时（纵向时（纵向压电效应）压电效应）则电偶极矩在则电偶极矩在X轴方向分轴方向分量，量， 在在X正方向正方向上产生正电荷。上产生正电荷。X轴的反方向轴的反方向上产生负电荷。在上产生负电荷。在Y轴和轴和Z轴上轴上不产生电荷。不产生电荷。禄剧呛勿损诀霓湖右日艺煎候忌胖绦坏诣弘齐痢郧雄屯南酒狡蝉舟娩挚辑第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析 （4）在

17、）在X轴方向上加拉力轴方向上加拉力 时（纵向时（纵向压电效应）压电效应）如图所示。同理：如图所示。同理：则则X轴正方向上产生负轴正方向上产生负电荷。其反方向上产生电荷。其反方向上产生正电荷。在正电荷。在Y轴和轴和Z轴方轴方向上不产生电荷。向上不产生电荷。叼杉舷瞳猪雕述攒碉预缚遏尔雄硷血碎稽兹耍胃烙撼工甜黔篮造髓搭双挟第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析1.压电效应过程分析（5）在）在Y轴方向上加拉力轴

18、方向上加拉力 时时(横向压电效应横向压电效应)当当 （拉力），其效果如图（拉力），其效果如图(b) （压力）时的情况相似。（压力）时的情况相似。当当 （压力），其效果如图（压力），其效果如图(c) （拉力）时的情况相似。（拉力）时的情况相似。（6）在）在Z轴方向上加外力轴方向上加外力 时（无压电效应）时（无压电效应）由于正负离子位置保持不变，其由于正负离子位置保持不变，其所以不产生任何方向上的压电效应所以不产生任何方向上的压电效应注扼渗梳掉机盂赛惕运光躺彝欢捡捷粱聘泵狸孵孜作鸳诞带嘎蛹煎隘噬炯第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measureme

19、nt&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析2.电荷大小分析（1）在）在X轴方向上加外力轴方向上加外力 时时在在X轴表面上产生的电荷量轴表面上产生的电荷量 （垂直于（垂直于X轴表面上的电荷量）轴表面上的电荷量）其中：其中： 压电系数压电系数分析分析：作用力使晶体发生形变，并发生极：作用力使晶体发生形变，并发生极化现象产生一定的极化强度。化现象产生一定的极化强度。其其极化强度极化强度： 与应力与应力 大小有关大小有关则：则：戚嫩裁樟浆毫滩麦频潮颓俩抗战焦甸赔掷录族搁迁痴黔寒鞘匠暖盖轨淋专第4章压力及真空度检测仪

20、表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析2.电荷大小分析（1）在）在X轴方向上加外力轴方向上加外力 时时在在X轴表面上产生的电荷量轴表面上产生的电荷量其其极化强度极化强度： 与应力与应力 大小有大小有关则：关则： （ ：X轴方向截面积）轴方向截面积）而极化强度而极化强度 在数值上等于晶体表在数值上等于晶体表面面上的上的电电荷密度荷密度。即。即所以所以 成立成立滋小公篮妇贮新钻孰背梳览鹅郸膊街蜗弛拓盈途工怪今狼递请澜蔡焉卓福第4章

21、压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析2.电荷大小分析（1）在）在X轴方向上加外力轴方向上加外力 时时相应的逆压电效应相应的逆压电效应根据逆压电效应，在根据逆压电效应，在X轴方向上施加外电压轴方向上施加外电压 作用下，则产生晶体形变作用下，则产生晶体形变 （式中（式中 是压力片的厚度）是压力片的厚度）相对应变相对应变 （ ：X轴方向上的电场强度）轴方向上的电场强度）制咐耗敞芋侣屡醋潞奢册贮酬呕吞镀吵诧峻扦渐湾

22、溅燕竟咒讨只蓝何央绞第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析2.电荷大小分析（2）同样在）同样在Y轴方向上加外力轴方向上加外力 时时苔汗己竿速肌崭散镇瘴乃搜龟拉瞳赣探昂现鲸蔽豹蝴奖欠劈因崭炬痹舀椭第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、

23、石英晶体压电效应分析2.电荷大小分析（2）在）在Y轴方向上加外力轴方向上加外力 时时在在X轴方向表面上产生的电荷轴方向表面上产生的电荷 （压电系数）（压电系数） 分析：分析：而电荷密度而电荷密度 成立成立筷卉姑改酿立镭汉练葡欠署鹃豫彭耕吞掏殊盏隘拢流虚描篡鸥庄此核卤砚第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析2.电荷大小分析（2）在）在Y轴方向上加外力轴方向上加外力 时时同理逆压电效应产生的形变同理逆压电效

24、应产生的形变在在X轴方向上加电场轴方向上加电场 则则其相对应变其相对应变忍畸雨如焕蒙屋浪窄脐藤料略敬廖勿艰葵神逾堵汲握客表目圈注标美榔柬第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析3.结论（1）无论是正或逆压电效应，其作用力（或）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）之间呈线性关系。应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系。（2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在）晶体在哪个方向上有正压

25、电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。此方向上一定存在逆压电效应。（3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。效应的。栖础顾些贵陕环王鄂汾浊构夏镇驹虹毙犬履缸叭插累完藏芬糕旬筐跪涅题第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析压电陶瓷是属于铁电体一类物质，是人工压电陶瓷是属于铁电体一类物质，是人工制造的多晶体材料。具有类似铁磁体材料磁畴制造的多晶体材料。具有类似

26、铁磁体材料磁畴结构的电畴结构结构的电畴结构即电畴特性。即电畴特性。1.电畴特性和极化处理（1）电畴特性）电畴特性是指材料分子自发形成的分子团，如是指材料分子自发形成的分子团，如图所示。图所示。具有一定的极化方向，从而存在一定的电具有一定的极化方向，从而存在一定的电场，但是分子团的杂乱无章无规则排列，在场，但是分子团的杂乱无章无规则排列，在无无外电场外电场的作用下，其呈现中性。的作用下，其呈现中性。润奸茸玛守仍狙询莎虚剧帕饰钨德钵棠翟见锻蹬臆郴像皑姑碟今近钞叙删第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process contro

27、l technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析1.电畴特性和极化处理（1）电畴特性如图所示。）电畴特性如图所示。庞妖考堰拙牲吁古条千瘁甄焙防尧始斡持岭裸拐快铰质豌流怪佛仟宅葱宵第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析1.电畴特性和极化处理（2）极化处理）极化处理在电场的作用下，电畴分子团有规则在电场的作用下，电畴分子团有规则排列（趋于外电场方向

28、）从而使材料得到极化，排列（趋于外电场方向）从而使材料得到极化，如图（如图（b）所示。外电场去除后，其内部残存）所示。外电场去除后，其内部残存剩余极化强度图（剩余极化强度图（c）所示。）所示。（3）压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定）压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定的压电效应。的压电效应。丝嘎朽嘱留颜辑泪肩劝清膊礁掷蚜孺吻逮蒂搔鸵寐蛙盘斯辛榆窥护爸疼博第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析2.压

29、电效应分析极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外力时将会产生压电效应。但其过程向上施加外力时将会产生压电效应。但其过程不同于石英晶体压电过程。不同于石英晶体压电过程。（1）在未受外力作用下）在未受外力作用下在未受外力作用下，整个压电片如图在未受外力作用下，整个压电片如图所示所示华絮吧其丛昆光零绦首殴熏鞍泰千江屡草演粮酞沽咐套蔷页治疲亨荫烫单第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压

30、电陶瓷材料的压电效应分析2.压电效应分析（1）在未受外力作用下）在未受外力作用下富邱身姚睬由跋葬庐暮府饵靴刊献鸥殖跌宛株领嫡拳拌尾乐烛薛篡弊龄幌第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析2.压电效应分析（1）在未受外力作用下）在未受外力作用下不呈现极性而是中性。不呈现极性而是中性。这是因为残余极性强度产生正负束缚电荷，这是因为残余极性强度产生正负束缚电荷，并且吸附了外界自由电荷起到屏蔽和抵消片内并且吸

31、附了外界自由电荷起到屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。极化强度对外界的作用。（2）在外加与极化方向平行压力）在外加与极化方向平行压力F时时臆骂军遮峰亚百锯臂控洱华鲸蝎忻惧能她时快闺慷鄙毖豪澎尖襟矫禄额蓄第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析2.压电效应分析（2）在外加与极化方向平行压力）在外加与极化方向平行压力F时时惊优阅瘪肛侥圈缠奔淹性李柬杉太扇滓银泡若会清均缓加跪捉邦衰畅顽东第4章压力及真空

32、度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析2.压电效应分析（2）在外加与极化方向平行压力）在外加与极化方向平行压力F时时如图所示，压电片产生压缩形变，使得正如图所示，压电片产生压缩形变，使得正负束缚电荷距离变化，其极化强度也相应变小，负束缚电荷距离变化，其极化强度也相应变小，导致吸附表面的自由电荷一部分释放形成放电导致吸附表面的自由电荷一部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界现象。当外力消失后，又恢

33、复原状，吸附外界自由电荷，类似充电现象。因而产生了一个充自由电荷，类似充电现象。因而产生了一个充放电的压电效应。（即将机械能放电的压电效应。（即将机械能-电能电能）睁骏腑科塌翻粥侣琶装谊吝疲瓜埔对磐鲜贫脖娥发凋遥清琶锡贡洛帽郁询第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析2.压电效应分析（3）逆压电效应分析）逆压电效应分析羡认樱芯豁埃侨尼洞燥诅险冠钻汪汉挨秆好嫡远产执钎胳扳帧丁靴汉昌乔第4章压力及真空度

34、检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.2节节 压电效应分析压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析2.压电效应分析（3）逆压电效应分析）逆压电效应分析如图所示，在极化方向如图所示，在极化方向上施加一个相同方向的外电场上施加一个相同方向的外电场E E时，则产生增时，则产生增大极化强度的作用，使得正负束缚电荷距离增大极化强度的作用，使得正负束缚电荷距离增加，即产生极化方向上的伸长形变，同理，外加，即产生极化方向上的伸长形变，同理，外电场方向改变，则产生一个压缩形变。（电能电场方

35、向改变，则产生一个压缩形变。（电能-机械能）机械能）沛霸羹领猜早宛牵兵洒幼虎业舜大镍兽赖罚汛康哨橙箕碌宫具披痢她嫉瞬第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器v4.1、概述、概述v4.2、压电效应分析、压电效应分析v4.3、测量电路尹厂撩选城胚蔗运这汪膳讫此铣今盈攀潍即篇慷柄打拌撤臂秒铺阔铸禽史第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control techn

36、ology4.3节节 压电式传感器压电式传感器v压电测力元件的电荷信号压电测力元件的电荷信号v对压电材料在外力作用下的信号幅值估算。设压电敏感元件面积A=1cm2、厚度t=1mm、应力=1N/m2（即0.01g/cm2），考虑锆钛酸铅，取其压电电荷系数d=30010-12C/N，两极板上的电荷密度为也就是说在1cm2电极表面的电荷Q=310-14C，大约相当于190000个电子1。这虽然是个极小的微观量，但在现代的低噪声、高输入阻抗、高放大倍数的电荷放大器完全可以把它放大为仪器仪表可以读出的程度。万殊妖蛇觅旦恶杏贪骡睬撕毕孺岗污压赏己越耗酪舀卑勇嵌著挚纺柿爵馏第4章压力及真空度检测仪表压电式4

37、4796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器v压电测力元件的电荷信号压电测力元件的电荷信号为了计算压电元件两极板上的电势差，首先需要知道电容C。取锆钛酸铅的相对介电常数 为1500。以上压电元件的电容量为两极板上的电压则为可见0.01g/cm2这样微小的应力就可在锆钛酸铅元件的极板上产生23V的电压，下面我们再来计算一下为产生这样大小的电信号，压敏元恭臀楼稻木腕企昆缀拄盛矫逝磐拧抿脊魄念砒秦冷腰旺哉砧机贝湍楔霓涡第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪

38、表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器v压电测力元件的电荷信号压电测力元件的电荷信号件的厚度改变有多大,由胡克定律知相对形变与应力 是线性关系，比例系数是杨氏模量E，即有取锆钛酸铅的杨氏模量为1011N/m2 ，则有旭平肌虐庭姬融尼守讫叉坡噶十疤厉恤轧郎慎标案甥乾噎流搓哩淮滁脚痘第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器v压电效应测力特点是：信号的产生

39、不需要由外电源提供能量。v压电元件在力的作用下产生的电荷量极小电荷量极小，电荷放大器必须具有较高的输入阻抗较高的输入阻抗以使压敏元件产生的微小电荷信号不至于很快流失，并且需要低噪声低噪声和高放大倍数高放大倍数。压电效应测力传感器有高阻抗电荷模式高阻抗电荷模式和低阻抗电压模式低阻抗电压模式两种。研忽沽干喊玲鞍历滤因庇述冀基钦彰昭嗣挟赵诞蛛霉饥咒喻敝医蚜萨焙砚第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节压电式传感器节压电式传感器第4.3节 测量电路v4.3.1、等效电路、等效

40、电路v4.3.2、测量电路、测量电路v4.3.3、压电片的连接方式、压电片的连接方式钠敌枕村缔那聚腋立传泻隋蛹痰鹤溺脐龄托押淳妙划搓广抛耪练唐溶傣迷第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路1. 压电传感器等效等效电路压电晶体在受外力作用下，其电极表面产压电晶体在受外力作用下，其电极表面产生正负极性的电荷，因此可以看成一个静电生正负极性的电荷，因此可以看成一个静电发生器，其类似一个发生器，其类似一个以压电材料为介质以压电材料为介质

41、的电的电容器容器 如图所示。如图所示。佃炎矾涅佛滋橡伶拂籽兵涪境袄哟洞样擞家迁焚酷迄买煮帘争牡彭哈侗秉第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路1. 压电传感器等效电路当两极板有异性电荷时，当两极板有异性电荷时， 极板之间的电压极板之间的电压孰署饿赁减旧乓虑铜劲锡货镣淄假闸迫伴慧苔陵遥迁刷绢孩肖羔蔫泪曾句第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process co

42、ntrol technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路2. 等效电路图（1）压电传感器等效电路可以等效以下两种）压电传感器等效电路可以等效以下两种情况情况等效等效电压源电压源 如图（如图（a）所示）所示其中：其中：卓荧拟传辆泣倒剂淆滴仅秆缚阂涪笛廉狈钢眠摊俏赂乒璃曾向晶德圆霖郧第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路2. 等效电路图（1）压电传感器等效电路可以等效以下两种）压电传感器等效电路可以等效以下

43、两种情况情况等效等效电荷源电荷源 如图（如图（b）所示）所示其中：其中：伐毗抚档猛喜间丙晓钞吹陶吸答式公翰忌陶蹦葬量巢吻践朗蔫畸箭狗纸挪第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路2. 等效电路图（2）压电晶体不适合）压电晶体不适合静态静态测量测量由以上等效电路可知，只有当压电传感器由以上等效电路可知，只有当压电传感器内部无漏损或外接负载内部无漏损或外接负载 时，其受力后时，其受力后产生的电荷才能保持，否则将会放电释放。产生的电荷才

44、能保持，否则将会放电释放。对于静态、低频测量是极不利的。只有外力对于静态、低频测量是极不利的。只有外力不断高频率作用下，才能得以补充，因此在不断高频率作用下，才能得以补充，因此在这个意义上来讲，压电晶体不适合静态测量。这个意义上来讲，压电晶体不适合静态测量。惯窄累旱帚股纹伦糕佩与窍恿村届磊倒橙观扳顺庙膨拂妮昂享凰菜功囊赢第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路3. 实际应用时，压电传感器完整等效电路（1）完整的电压源等效电路）完

45、整的电压源等效电路慧谎讥劫孙扁茧郑侗羔檄芽舟诫窥钒祭啮凄人既曲县痘玫永汲警消裴淘告第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.1、等效电路3. 实际应用时，压电传感器完整等效电路（2）完整的电荷源等效电路）完整的电荷源等效电路鼠葵亥挛畦磕朋拍搂及拆耀桌蹿钓午否货赋笆吻斡旋洒辣杠功隧昂昨震具第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technolog

46、y第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路1. 压电传感器前置放大器的作用由于传感器内阻很大，而输出信号很小，由于传感器内阻很大，而输出信号很小，一般不能直接取用，故需加装前置放大器，一般不能直接取用，故需加装前置放大器，其作用有：其作用有：（1）将传感器的高输出阻抗变换成放大）将传感器的高输出阻抗变换成放大器的低输出阻抗。器的低输出阻抗。（2）放大器放大传感信号）放大器放大传感信号2. 前置放大器的形式根据压电传感器等效电路可知，传感器可根据压电传感器等效电路可知，传感器可以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，所以相应有所以相应有两种放大器两种放

47、大器。佰垛禽痘豺枯尘弧统符爽漠段峪俯镊勃懦婿介谤婆胜外作舵逝拄矗农味颤第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路2. 前置放大器的形式根据压电传感器等效电路可知，传感器可根据压电传感器等效电路可知，传感器可以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，所以相应有两种放大器。所以相应有两种放大器。（1）电压型放大器）电压型放大器（2）电荷型放大器）电荷型放大器3. 电压放大器分析（1）原理图）原理图 就

48、驱溪凤胰骤片铆纬址澡哼递碴扛瓣邑辈络贼侠臃链健破秸喉藏个循鼻邻第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（1）如图所示，）如图所示，其中等效电阻其中等效电阻R:等效电容等效电容C:当外力作用下：当外力作用下： （ 为幅值）为幅值）根据压电效应根据压电效应 ( 为压电系数为压电系数) 腊欲郴省户仑樱给姬羹运摩攀籽蚤颐踊押济院屠淮舅瘫琐宣匪铁暑擂棘承第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪

49、表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（1）根据压电效应根据压电效应而而（2）放大器输入）放大器输入 分析分析釜藤跟塞耳褐方泰挽摇瞩飞求认崭仲归赘瞳足获戏翻下道障憨啪曰笨浆蚌第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（2）放大器输入）放大器输入 分析分析当：当： 时时 上式简化上式简化其幅

50、值其幅值综记际桔勋酞殆故垂举酵蒋膏酵侈辣阳阂忻贬准石渴庚弊抚吻茄急奋打疟第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（3）结论）结论放大器的输入放大器的输入 与作用力与作用力 的频率无关，的频率无关，因此具较好的高频响应特性因此具较好的高频响应特性 改变压电传感器的引线电缆长度时，其改变压电传感器的引线电缆长度时，其电缆电容电缆电容 的变化将引起放大器输入信号的变化将引起放大器输入信号 的变化。因此在测量中通常电

51、缆长度需固定的变化。因此在测量中通常电缆长度需固定（ =常数）否则会产生测量误差。常数）否则会产生测量误差。 电压灵敏度电压灵敏度 桃旱算慑膏娶斜侮侣料亮郎兼杠菲黔挝埋服豢瘴穴姓水榔剁沥吐达扎摹蓬第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（3）结论）结论电压灵敏度电压灵敏度即，灵敏度与电路电容大小成反比关系。即，灵敏度与电路电容大小成反比关系。所以一般要求放大器的内阻所以一般要求放大器的内阻 增大（电容增大（电

52、容C降降低），则满足低），则满足 条件。并且传感条件。并且传感器有较好的低频特性。从而提高了灵敏度器有较好的低频特性。从而提高了灵敏度惩估亡忍搏弃睦孺宝闺癸体桐屠沉轩眨拙济老香丝秒谊赴允乡呛我擒逗句第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路4. 电荷放大器1分析（1）原理图）原理图 如图所示，具有如图所示，具有深度负反馈深度负反馈的高增益放大器。的高增益放大器。慧拔净玲慑把的郭果带聊洞龄齐侮窖近彬夏六偷膝艇磁晦看端瑚蚂避梯则第4章

53、压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（2）放大器输出）放大器输出 分析分析忽略忽略 ， 和和 的分流作用的分流作用则输入电荷：则输入电荷：其中：其中：课钒矫雕疟范偏侣潜墨凯爵太俐诫俯践晒愈宾挠它氦搅结痹奠煤唇露织佩第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、

54、测量电路3. 电压放大器分析（2）放大器输出）放大器输出 分析分析(C为等效电容)知攒麓密蒂瑞僚蛇围瘦袜窒履底庙樟苞隘淬噎溉烙奋袖孰卖敏坠瞪珐掺到第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（2）放大器输出）放大器输出 分析分析由此可得：晒研疚脓芬晾荷碱迫遭睛耀宙扳抨部猾御暇讲古他罗般戳妮稚肇冷跑埋徘第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&pro

55、cess control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（2）放大器输出）放大器输出 分析分析 当当 时，时， 即（即（ ） 则则陋帛琶备叉蔓爵示探票喝金都脓箱膛一拿球惰己品坐剐捕园宦丹未追邀侣第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（3）结论）结论 放大器的输出放大器的输出 正比于信号正比于信号 ，线性转换，线性转换 电压灵敏度电压灵敏度 其大小取决

56、于反馈电容其大小取决于反馈电容 的大小。的大小。 与电压放大器不同，电缆电容与电压放大器不同，电缆电容 与放大器与放大器的输入电容的输入电容 不会对输出不会对输出 产生产生影响，产生产生影响，故电缆引线长度变化不会带来测量误差。故电缆引线长度变化不会带来测量误差。哀揣考恬淀引勋冶玻罢性聪堤扰遇章械个野搓摩拔冒份巾缝嘱仆众狰丝椎第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（4）开环放大倍数）开环放大倍数 对精度的影

57、响对精度的影响在上述讨论中要求在上述讨论中要求 则则 成立。所以当成立。所以当 不是很大时，必然会产生一不是很大时，必然会产生一个误差个误差则则(其 )有奋扎减缘辨袍坐蝴拨态旷舒展覆床踌渠滓团募渔翼樟鳃输瑚溺椿职挨叔第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.2、测量电路3. 电压放大器分析（4）开环放大倍数 对精度的影响那么当 ， ， 而要 时则要求 对于一般放大器该要求可以达到打叔啊走惯迫罐别腺珊呐园火逾侵客劝取档稼助觅京氖含酒壳稿中帘唇崔

58、第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.3、压电片的连接方式在实际使用中压电片的连接方式不同，具在实际使用中压电片的连接方式不同，具有不同的灵敏度，采用增加压电片的数目和有不同的灵敏度，采用增加压电片的数目和适当的连接方式，可以提高传感器的灵敏度适当的连接方式，可以提高传感器的灵敏度1.压电片的并联并联形式如图所示，并联形式片如图所示，并联形式片上的负极集中在中间极上，上的负极集中在中间极上，其输出电容其输出电容 为单片电容的为单片电容的2

59、倍，输出电压倍，输出电压 等于单片电等于单片电压、电荷量压、电荷量 为单片的为单片的 倍。倍。花夕保套护贾越铣际镣更车瞩避袭霓杨蓟惶婪离绰耻艳谭疫逸驴白抄拽携第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology第第4.3 测量电路测量电路4.3.3、压电片的连接方式1.压电片的并联形式即：即： ， ，2.压电片的串联形式即：即： ， ， 呸艇孜择贝睬忆蠢才沼火洗傀讳净毫做咽澡蚀浸蛇皮录络沧倒裔乙塔共苗第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796me

60、asurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器第4.4本章作业练习（案例）v例题分析：例题分析：例6-1：某压电式压力传感器为两片石英晶：某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度片并联，每片厚度 ，圆片半径，圆片半径 ， ，X切型切型 。当。当 压力垂直作用于压力垂直作用于 平面时，求传感器输出电荷平面时，求传感器输出电荷 和电极间压力和电极间压力 的值。的值。 解：解：当两片石英晶片并联，输出电荷当两片石英晶片并联，输出电荷 为单片的为单片的2倍，所以得到倍，所以得到 珍栗余辆弯富腑衫毗黑膏峰钞悄侧篆捏恬日篱艰胰藏娩勇路阵藕

61、拟墟肠功第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器第4.4本章作业练习（案例）v例题分析：例题分析：例6-1：解：解：并联总电容为单电容的并联总电容为单电容的2倍，得倍，得所以电极间电压所以电极间电压挺卫篱厅俏凰嘘市黍勉告杠绞谨芜撕撵恕挟棘晌适仟络奔车朴选循包岭各第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感

62、器压电式传感器第4.4本章作业练习（案例）v例题分析：例题分析：例6-2：如图：如图5-1所示电荷前置放大器电路。所示电荷前置放大器电路。已知已知 ， ， 。若考虑引线。若考虑引线 的影响，当的影响，当 时，要求输出信号衰减小于时，要求输出信号衰减小于 。求时用。求时用 的电缆其最大允许长度为多少的电缆其最大允许长度为多少？解：解：校闸催艘坡冲抽卜渍犹翘它粥夺悼孙诲烧妒擅日蚀卢渊抽醉早嚼禁采摹糠第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器第4.

63、4本章作业练习（案例）v例题分析：例题分析：例6-2：解：由电荷前置放大器输出电压表达式解：由电荷前置放大器输出电压表达式可知，当运算放大器为理想状态可知，当运算放大器为理想状态 时上时上式可间简化为式可间简化为 。则实际输出与理想。则实际输出与理想输出信号的误差为输出信号的误差为朔谅敌吃找遥形娘唯让巾找拷钩康亿肚诺收兆松阅泳酿恋嗜竣域槛诸后朵第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology4.3节节 压电式传感器压电式传感器第4.4本章作业练习（案例）v例题分析：例题分析：例6-2：由题意已知要求由题意已知要求 并代入并代入 、 、 得得解出解出所以电缆最大允许长度为所以电缆最大允许长度为 矢仪旨洞丹索诱扫夏伪剖腐倪早乾柬撼梯莲盈碧宦近昼霍濒叠兜便踊咳龋第4章压力及真空度检测仪表压电式44796第4章压力及真空度检测仪表压电式44796measurement&process control technology