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1、传感器原理及应用第第7章章压电式传感器压电式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第7 7章章 压电式传感器压电式传感器主要内容主要内容 7.1 7.1 压电效应压电效应 7.7.2 2 压电材料压电材料 7.7.3 3 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 7.7.4 4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器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
2、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
3、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。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器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浮游计压电加速度计压电警号压电警号传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.1 7.1 7.1 7.1 压电效应压电效应压电效应压电效应 v自然界中自然界中3232种种晶体点阵，分为中心晶体点阵，分为中心对对称称
4、和和非对称非对称两大类，其中非中心对称的两大类，其中非中心对称的有有2121种，种，2020种具有压电效应，压电现象种具有压电效应，压电现象是是晶体缺乏中心对称晶体缺乏中心对称引起的。引起的。vv 某些电介质（晶体）当沿着一定方向某些电介质（晶体）当沿着一定方向某些电介质（晶体）当沿着一定方向某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生施加力变形时，内部产生施加力变形时，内部产生施加力变形时，内部产生极化极化极化极化现象，同现象，同现象，同现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；时在它表面会产生符号相反的电荷；时在它表面会产生符号相反的电荷；时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉
5、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，电荷的极性也随当作用力方向改变后，电荷的极性也随当作用力方向改变后，电荷的极性也随当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变之改变之改变之改变; ;这种现象称这种现象称这种现象称这种现象称压电效应压电效应压电效应压电效应。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.1 7.1 7.1 7.1 压电效应压电效应压电效应压电效应 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
6、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，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压电元件机械能电能传感器原理及应用传感器原理及
7、应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 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英晶体石英晶体石英晶体石英晶体、钛酸钡钛酸钡钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅是优能的压电材料。是优能的压电材料。是优能的压电材料。是优能的压电材料。压压压压 电电电电 材材材
8、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、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体化学式为化学式为化学式为化学式为 SiO SiO SiO SiO2 2 2 2外形无论再小都呈六面体结构外形无论再小都呈六面体结构外形无论再小都呈六面体结构外形无论再小都呈六面体结构沿各个方向的特征不同
9、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（按特定方向切片）（按特定方向切片）（按特定方向切片）（按特定方向切片）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）不产生压电效应传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器
10、7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 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）压电晶片按按特定方向切片特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）压电特性的
11、各向异性可用矩阵表示（略）压电特性的各向异性可用矩阵表示（略） 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为压电系数为压电系数为压电系数为压电系数（为常数）（为常数）（为常数）（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, , , , 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: : : : d d d d11111111纵向压电系数纵向压电系数纵向压电系数纵向压电系数，1 1 1 1为为为
12、为X X X X方向应力方向应力方向应力方向应力 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, , , , 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: : : : d d d d12121212横向横向横向横向压电系数，压电系数，压电系数，压电系数，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 根据晶体的对称性根据晶体的对称性根据晶体的对称性根据晶体的对称性，压电系数压电系数压电系数压电系数 d d d d12121212 = -d = -d = -d = -d11111111 a a a a 、b b b b是晶体切片几何尺
13、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) ) ) )由拉力还是压力决定由拉力还是压力决定由拉力还是压力决定由拉力还是压力决定q q q qx x x x、q q q qy y y y符号。符号。符号。符号。 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 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：
14、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： 当当当当晶晶晶晶体体体体不不不不受受受受力力力力时时时时F=0F=0F=0F=0，正正正正负负负负离离离离子子子子分分分分布布布布在在在在六六六六边边边边形形形形顶顶顶顶角角角角，电电电电偶偶偶偶极极极极矩矩矩矩互互互互成成成成1201201201200 0 0 0夹夹夹夹角角角角，矢矢矢矢量量量量和和和和为为为为零零零零，晶体呈晶体呈晶体呈晶体呈中性中性中性中性； 当当当当晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿X X X X轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时，X X X X方方方方向向向向压压压压缩
15、缩缩缩形形形形变，电偶极矩在变，电偶极矩在变，电偶极矩在变，电偶极矩在X X X X轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于 出现出现出现出现上负下正电荷上负下正电荷上负下正电荷上负下正电荷；传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 当当当当晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿Y Y Y Y轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时，Y Y Y Y
16、方方方方向向向向压压压压缩缩缩缩形形形形变变变变，电电电电偶偶偶偶极极极极矩矩矩矩在在在在X X X X轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的分分分分量由于量由于量由于量由于 出现出现出现出现上正下负电荷上正下负电荷上正下负电荷上正下负电荷； 晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿Z Z Z Z轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时X X X X、Y Y Y Y方方方方向向向向形变相同形变相同形变相同形变相同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； 应应应应力力力力方方方方向向向向为为为为拉拉拉拉力力力力时时时时，电电电电荷荷荷荷极极极极性性性性与与与与上上上上述相反。
17、述相反。述相反。述相反。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器动画演示动画演示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传感器原理及应用
18、传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 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有许多自发极化的粒有许多自发极化的粒有许多自发极化的粒有许多自发极化的电畴电畴电畴电畴，它有一定的极化方向。，它有一定的极化方向。
19、，它有一定的极化方向。，它有一定的极化方向。 无电场作用时，电畴在晶体中无电场作用时，电畴在晶体中无电场作用时，电畴在晶体中无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消呈分布杂乱分布，极化相互抵消呈分布杂乱分布，极化相互抵消呈分布杂乱分布，极化相互抵消呈中性。中性。中性。中性。 施加外电场时，电畴的极化方施加外电场时，电畴的极化方施加外电场时，电畴的极化方施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排向发生转动，趋向外电场方向排向发生转动，趋向外电场方向排向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，列。外电场强度达到饱和程度时，列。外电场强度达到饱和程度时，列。外
20、电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。所有的电畴与外电场一致。所有的电畴与外电场一致。所有的电畴与外电场一致。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 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） 外外外外电电电电场场场场去去去去掉掉掉掉后后后后，电电电电畴畴畴畴极极极极化化化化方方方方向向向向基基基基本本本本不不不不变变变变，剩剩剩剩余余余余极极极极化化化化强强强强度度度度很
21、很很很大大大大。所所所所以以以以，压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷极极极极化化化化后后后后才才才才具具具具有有有有压压压压电电电电特特特特性性性性，未未未未极极极极化化化化时时时时是是是是非非非非压电体。压电体。压电体。压电体。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 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
22、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化化化，在在在在极极极极化化化化面面面面上上上上产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷，电电电电荷荷荷荷量量量量的的的的大小与外力成正比关系，大小与外力成正比关系，大小与外力成正比关系，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： d d d d33 33 33 33 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，d d d d33333333 比比比比 d d d
23、d11111111、 d d d d12121212大的多大的多大的多大的多 所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时受温度影响又使压电特性减弱。随时受温度影响又使压电特性减弱。随时受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（间延长（间延长（间延长（2 2 2 2年后）年后）年后）年后）d d d d33333333会下降，作为传感会下降，作为传感会下降，作为传
24、感会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。器使用时要经常校准修正。器使用时要经常校准修正。器使用时要经常校准修正。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.3 7.2.3 7.2.3 7.2.3 新型压电材料新型压电材料新型压电材料新型压电材料 石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同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。的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而新型而新型合成合成合成合成高分
25、子材料，高分子材料，PVF聚氟乙烯聚氟乙烯聚氟乙烯聚氟乙烯、 PVF2聚偏聚偏聚偏聚偏二氟乙烯、二氟乙烯、二氟乙烯、二氟乙烯、PVC聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯等等等等能很好的克服这一缺陷，能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。可以作成轻小柔软的压电元件。灵敏度比灵敏度比PZT（压电（压电陶瓷）大陶瓷）大17倍倍。压电半导体材料压电半导体材料具有压电特性，又有半导体特性，具有压电特性，又有半导体特性，可研制集成压电传感器系统。可研制集成压电传感器系统。这些材料有：这些材料有：(ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs)传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7
26、 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.3 7.2.3 7.2.3 7.2.3 新型压电材料新型压电材料新型压电材料新型压电材料 聚聚聚聚偏偏偏偏氟氟氟氟乙乙乙乙烯烯烯烯压压压压电电电电效效效效应应应应 而这些新型而这些新型合成合成合成合成材料的分子链中材料的分子链中CFCF键具有极性，有键具有极性，有一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应。必须经过拉伸、极化过程，特殊处性，没有压电效应。必须经过拉伸、极化过程，特殊处理
27、才会具有良好的压电效应。理才会具有良好的压电效应。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2.4 7.2.4 7.2.4 7.2.4 压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能 性能参数：性能参数：性能参数：性能参数： 压电常数；压电常数；压电常数；压电常数； 介电常数（高）；介电常数（高）；介电常数（高）；介电常数（高）； 弹性常数；弹性常数；弹性常数；弹性常数； 机械耦合系数；机械耦合系数；机械耦合系数；机械耦合系数； 工作温度。工作温度。工作温度。工作温度。锆钛酸铅锆钛酸铅锆
28、钛酸铅锆钛酸铅（压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷PZTPZT）是是是是一一一一种种种种性性性性能能能能优优优优越越越越的的的的压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷，是是是是目目目目前前前前最最最最普普普普遍遍遍遍使用的压电材料。使用的压电材料。使用的压电材料。使用的压电材料。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料压电材料压电材料7.2.5 7.2.5 7.2.5 7.2.5 压电元件结构形式压电元件结构形式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
29、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。由由由由于于于于压压压压电电电电材材材材料料料料有有有有极性，因此存在连接方法，双片连接时：极性，因此存在连接方法，双片连接时：极性，因此存在连接方法，双片连接时：极性，因此存在连接方法，双片连接时：U+_+ + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + +
30、 + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _vv按按按按 +-+-+粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路串联串联串联串联 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vv 按按按按 +-+-+-+-粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路并联并联并联并联 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荷放大器+_+_U+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ +
31、 + + + + + + + + + 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 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 压电传感器可视为电荷源压电传感器可视为电荷源 视为视为电荷输出电荷输出时可等效为电荷源时可等效为电荷源Q Q和和电容电容CaCa并联，开路状态输出端电荷为并联，开路状态输出端电荷为 视为视为电压输出电压输出时可等效为电压源
32、时可等效为电压源U U与与电容电容CaCa串联，开路状态输出端电压为串联，开路状态输出端电压为电容极板上聚集电荷时，极板间有电电容极板上聚集电荷时，极板间有电电容极板上聚集电荷时，极板间有电电容极板上聚集电荷时，极板间有电压存在压存在压存在压存在, , , ,电压大小与极板间电荷成正比电压大小与极板间电荷成正比电压大小与极板间电荷成正比电压大小与极板间电荷成正比可以看成具有可以看成具有+ +、- - 极性的电容器；极性的电容器；等效为一个等效为一个等效为一个等效为一个CaCaCaCa的电容器的电容器的电容器的电容器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电
33、式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 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 等效电压源 等效电流源 传感器接测量电路时还要考虑以下主要因素传感器接测量电路时还要考虑以下主要因素传感器接测量电路时还要考虑以下主要因素传感器接测量电路时还要考虑以下主要因素 电缆等效电容电缆等效电容电缆等效电容电缆等效电容C C C Cc c c c、 接入电路的输入电容接入电路的输入电容接入电路的输入电容接入电路的输入电容C C C
34、 Ci i i i、 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R R R Ri i i i、 传感器漏电电阻传感器漏电电阻传感器漏电电阻传感器漏电电阻R R R Ra a a a。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 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 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
35、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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 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
36、电传感器等效电路 压电元件压电元件压电元件压电元件内阻内阻内阻内阻很高，需要前置电路有很高，需要前置电路有很高，需要前置电路有很高，需要前置电路有高的输入阻抗。高的输入阻抗。高的输入阻抗。高的输入阻抗。压电元件输出可以是压电元件输出可以是压电元件输出可以是压电元件输出可以是电压源电压源电压源电压源也可以是也可以是也可以是也可以是电荷源电荷源电荷源电荷源。因此，前置放大器也有两种。因此，前置放大器也有两种。因此，前置放大器也有两种。因此，前置放大器也有两种形式：形式：形式：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由等效电路可见，只有在负载由等效电
37、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）受力时（无漏电）受力时（无漏电）受力时（无漏电）受力产生的产生的产生的产生的电荷电荷电荷电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量放掉，因此测量放掉，因此测量放掉，因此测量频率较低时频率较低时频率较低时频率较低时必须保证必须保证必须保证必须保证R R R RL L L L很大很大很大很大，即时间常数，即时间常数，即时间常数，即时间常数R R R RL
38、L L LC C C Ca a a a= = = = 大。大。大。大。前置电路有两个作用：一是前置电路有两个作用：一是前置电路有两个作用：一是前置电路有两个作用：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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （1 1 1 1）电压
39、放大器（阻抗变换器）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（阻抗变换器） 电压放大器及等效电压放大器及等效电路示意图 如果压电元件如果压电元件如果压电元件如果压电元件为为为为正弦正弦正弦正弦作用力变化作用力变化作用力变化作用力变化电压放大器的输入端电压放大器的输入端电压放大器的输入端电压放大器的输入端传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量
40、电路测量电路测量电路理想理想理想理想情况输入电压幅值情况输入电压幅值情况输入电压幅值情况输入电压幅值放大器输入电压的复数形式放大器输入电压的复数形式放大器输入电压的复数形式放大器输入电压的复数形式输入的输入的输入的输入的实际实际实际实际幅值幅值幅值幅值 （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: : : :传感器原理及应
41、用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路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vv 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为令
42、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 相对相对相对相对幅频特性幅频特性幅频特性幅频特性和和和和相频特性相频特性相频特性相频特性分别为：分别为：分别为：分别为：理想理想理想理想实际实际实际实际传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 电压放大器讨论：电压放大器讨论：电压放大器讨论：电压放大器讨论： 压电传感器不能测量
43、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；压电传感器不能测量静态物理量； 一一一一般般般般认认认认为为为为当当当当3333时时时时输输输输入入入入电电电电压压压压与与与与信信信信号号号号频频频频率率率率无无无无关关关关，高高高高频频频频响应特性好，响应特性好，响应特性好，响应特性好，优点优点优点优点； 提提提提高高高高低低低低频频频频响响响响应应应应的的的的办办办办法法法法是是是是增增增增大大大大, , , , R R R RL L L LC C C Ca a a a= = = = 但但但但不不不不能能能能靠靠靠靠输输输输入入入入电电电电容容容容Ca, Ca, C
44、a, Ca, 因因因因为为为为电电电电压压压压灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度与与与与电电电电容容容容成成成成反反反反比比比比。实实实实际际际际是是是是增增增增大大大大前前前前置置置置输入回路电阻输入回路电阻输入回路电阻输入回路电阻R R R Ri i i i。FF从电压灵敏度从电压灵敏度从电压灵敏度从电压灵敏度K K K Ku u u u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C C C Cc c c c影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求影响传感器灵敏度，使用时更换
45、电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的这是电压放大器的这是电压放大器的这是电压放大器的缺点缺点缺点缺点。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 R R R R1 1 1 1、R R R R2
46、2 2 2分压经分压经分压经分压经 R R R Rg g g g 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R R R Rg g g g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C C C C1 1 1 1耦合到耦合到耦合到耦合到R R R Rg g g g的的的的A A 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 S S（源）源）源）源）G GG G（栅）间电压大小近似相等、相栅）间电压大小近似相等、相栅）间电压大小近似相等、
47、相栅）间电压大小近似相等、相位相同。位相同。位相同。位相同。 信号经信号经信号经信号经C C C C2 2 2 2耦合到耦合到耦合到耦合到R R R Rg g g g的的的的B B B B端，这时端，这时端，这时端，这时R R R Rg g g g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，R R R Rg g g g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，意味着场效应管输入阻抗并没有因分压电路而降低。应管输入阻抗并没有因分压电路而降低。应管输入阻抗并没有因分压电路而降低。应管输入阻抗并没有因分压电路而降低。vv 电压放大器实例
48、：用场放应管实现高阻抗匹配的放大电压放大器实例：用场放应管实现高阻抗匹配的放大电压放大器实例：用场放应管实现高阻抗匹配的放大电压放大器实例：用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举反馈自举反馈自举反馈自举反馈电路（跟随器）电路（跟随器）电路（跟随器）电路（跟随器）阻抗变换电路阻抗变换电路阻抗变换电路阻抗变换电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量
49、电路 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C C C Cc c c c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，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器有较好的性能。大器有较好的性能。大器有较好的性能。大器有较好的性能。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
50、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益益益运放。运放。运放。运放。（2 2 2 2）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路
51、测量电路测量电路测量电路 理想情况输出电压为：理想情况输出电压为：理想情况输出电压为：理想情况输出电压为： 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个反馈电容压电传感器的输入电路由一个反馈电容C C C Cf f f f和高增益运算和高增益运算和高增益运算和高增益运算放大器构成。放大器构成。放大器构成。放大器构成。因运放输入端因运放输入端因运放输入端因运放输入端R R R Ri i i i阻抗高，几乎无分流，可忽略阻抗高，几乎无分流，可忽略阻抗高，几乎无分流，可忽略阻抗高，几乎无分流，可忽略R R R Ra a a a/R R R Ri i
52、i i并联并联并联并联, , , , 输入只对输入只对输入只对输入只对C C C Cf f f f充电。充电。充电。充电。（2 2 2 2）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器）电荷放大器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7.3 7.3 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7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 由运放特性可求得电荷放大器输出电压由运放特性可求得电荷放大器输出电压由运放特性可求得电荷放大器输出电压由运放特性可求
53、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 满足理想条件满足理想条件满足理想条件满足理想条件当满足当满足当满足当满足 K 1K 1K 1K 1（K =10K =10K =10K =104 4 4 4101010108 8 8 8）通常通常通常通常: C: C: C: Ca a a a = = = = 几十几十几十几十 pf Cpf Cpf Cpf Cc c c c= 100 pf/m= 100 pf/m= 100 pf/m= 100 pf/m C C C Cf f f f = 10= 10= 10= 102 2 2 2 -10-10-10-108 8
54、 8 8 pf K 10pf K 10pf K 10pf K 105 5 5 5满足（满足（满足（满足（1+K1+K1+K1+K）C C C Cf f f f 10 (C 10 (C 10 (C 10 (Ca a a a+C+C+C+Ci i i i+C+C+C+Cc c c c) ) ) )电荷放大器及等效电荷放大器及等效电荷放大器及等效电荷放大器及等效电路电路输出电压与输入输出电压与输入输出电压与输入输出电压与输入电荷量成正比电荷量成正比电荷量成正比电荷量成正比传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.3 7.3 7
55、.3 7.3 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 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 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 U U 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量量量量Q QQ Q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C C C Cc c c c无无无无关关关关，与与与与Q QQ Q成成成成正正正正比比比比，与电
56、容与电容与电容与电容C C C Cf f f f成反比，这是电荷放大器的突出优点。成反比，这是电荷放大器的突出优点。成反比，这是电荷放大器的突出优点。成反比，这是电荷放大器的突出优点。 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100100100100101010104 4 4 4pFpFpFpF。使使使使用用用用电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器时时时时，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响可忽略，
57、并且允许使用长电缆工作。影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。 缺点是电路复杂、价格昂贵。缺点是电路复杂、价格昂贵。缺点是电路复杂、价格昂贵。缺点是电路复杂、价格昂贵。电荷放大器讨论：电荷放大器讨论：电荷放大器讨论：电荷放大器讨论：由电压放大器的输出由电压放大器的输出由电压放大器的输出由电压放大器的输出电荷放大器的输出电荷放大器的输出电荷放大器的输出电荷放大器的输出传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 压电传感器的应用压
58、电传感器的应用压电传感器的应用压电传感器的应用1 1 1 1压电晶体压电晶体压电晶体压电晶体振荡器振荡器振荡器振荡器；2. 2. 2. 2. 压电式测压电式测压电式测压电式测力力力力传感器传感器传感器传感器3 3 3 3压电压电压电压电加速度加速度加速度加速度计传感器；计传感器；计传感器；计传感器；4. 4. 4. 4. 振动振动振动振动测量；测量；测量；测量；5 5 5 5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、收听器、收听器、收听器、超声波超声波
59、超声波超声波换能器；换能器；换能器；换能器；6.6.6.6.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）压电元件符号压电元件符号压电元件符号压电元件符号传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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 压电陶瓷片有压电陶瓷片有压电陶瓷片有压电陶瓷片有2 2 2 2引脚和引脚和引脚和引脚和3 3 3 3引脚，其中两引脚方式是将铜片引脚，其中两引脚方式是将铜片引脚，其中两引
60、脚方式是将铜片引脚，其中两引脚方式是将铜片作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为另一个电极。另一个电极。另一个电极。另一个电极。压电陶瓷片压电陶瓷片压电陶瓷片压电陶瓷片传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感
61、器 具有加速度补偿的压电式压力传感器，具有加速度补偿的压电式压力传感器，具有加速度补偿的压电式压力传感器，具有加速度补偿的压电式压力传感器，压电晶体被夹在压电晶体被夹在压电晶体被夹在压电晶体被夹在两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。传感器原理及
62、应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7
63、7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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超声波传感器超声波传感器振振动动式式液液位位开开关关压电加速度计压电元件产品压电元件产品传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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点火器晶体传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7
64、.4 7.4 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石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的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。而缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而PVF2材料能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元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。件。PVF2高分子聚偏二氟乙烯高分子聚偏二氟乙烯是一种良好的热塑性工程塑料，是一种良好的热塑性工程塑料，密度小、柔性好，有较高的压密度小、柔性好，有较高的压电效应，比石英十倍，压电陶电效应，比石英十倍，压电陶瓷低十倍。材料轻柔
65、可按需要瓷低十倍。材料轻柔可按需要切割成薄片，可植入人体。切割成薄片，可植入人体。PVF2压电膜压电膜硬币硬币铜柱铜柱投币计数传感器投币计数传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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压电膜话筒压电膜话筒 话筒话筒中，压电膜以一中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内定的支撑形式保持膜内一定张力。一定张力。在外来声压作用下，在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生使膜内应力改变，产生相应的压电信
66、号。相应的压电信号。压电膜话筒结构示意图压电膜话筒结构示意图PVF2压电膜压电膜絮状材絮状材料垫料垫声压声压传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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人体生理量测量人体生理量测量如血压、心音、脉搏如血压、心音、脉搏等体内和体表检测是等体内和体表检测是PVF2最有前景的场合。最有前景的场合。柔软、无毒、化学性柔软、无毒、化学性能稳定，可与血液直接能稳定，可与血液直接接触。接触。68mm检测区检测区（接收）接收）激振激振（发射）（发射
67、）公共电极公共电极FPVF胎儿心音换能器胎儿心音换能器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连接。接。压电压电元件元件RESab炸药压电元件压电元件导线导线起爆装置起爆装置破甲弹上的破甲弹上的压电引信结构压电引信结构药型罩药型罩压电引信压电引信
68、 压电引信是利用压电元件制成的压电引信是利用压电元件制成的弹丸起爆弹丸起爆装置。触发装置。触发度高、安全可靠、不需要安装电源系统，常用于度高、安全可靠、不需要安装电源系统，常用于破甲弹破甲弹上上 。对弹丸的破甲能力起着极重要的作用。对弹丸的破甲能力起着极重要的作用。 电电雷雷管管传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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原理：原理：平时平时E（电雷管电雷管）处于短路保险安全状态，压电元件即使受）处于短路保险安全状态，压电元件即使受
69、压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。而弹丸一旦发射起爆装置解除保险状态，开关而弹丸一旦发射起爆装置解除保险状态，开关S从从b处断开处断开与与a接通接通，处于待发状态。，处于待发状态。当当弹丸与装甲目标相遇弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电元件产生电荷，时，碰撞力使压电元件产生电荷，通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸，通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸，能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。压电压电元件元件RESab炸药压电元件压电元件导线导线起爆装置起爆
70、装置破甲弹上的破甲弹上的压电引信结构压电引信结构药型罩药型罩电电雷雷管管传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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压电传感器测振动压电传感器测振动 对于多功能转子实验台底座的振动，可采用加速度传感器和对于多功能转子实验台底座的振动，可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。速度传感器两种方式进行测量。 将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出接到变
71、送器相应的端口到计算机中。将传感器的输出接到变送器相应的端口到计算机中。 启动转子试验台，可观察并记录到的振动信号波形和频谱。启动转子试验台，可观察并记录到的振动信号波形和频谱。加速度和速度传感器振动测量加速度和速度传感器振动测量传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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测量测量仪器仪器前置前置放大放大传感器传感器 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 压电传感器使用时，要充分考
72、虑环境温度、湿度压电传感器使用时，要充分考虑环境温度、湿度的影响，基座的应变、电缆噪声的影响。的影响，基座的应变、电缆噪声的影响。 实际应用中，地线的连接也十分重要。接地之间实际应用中，地线的连接也十分重要。接地之间的电位差的电位差U U会形成回路电流产生噪声，消除接地会形成回路电流产生噪声，消除接地回路噪声的有效方法是整个系统在一点接地。回路噪声的有效方法是整个系统在一点接地。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器7.4 7.4 7.4 7.4 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晶体管声、
73、光控开关电路晶体管声、光控开关电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器本章小结：本章小结： 压电效应压电效应压电效应压电效应 、压电材料、压电材料、压电材料、压电材料、 压电元件及结构形式压电元件及结构形式压电元件及结构形式压电元件及结构形式 ； 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 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 （2 2 2 2）电荷放大器；）电荷放大器；）电荷放大器；）电荷放大器； 压电传感器的应用压电
74、传感器的应用压电传感器的应用压电传感器的应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器习题与思考题：1 1 1 1. .什么是正压电效应和逆压电效应？纵向压电效应和横向压什么是正压电效应和逆压电效应？纵向压电效应和横向压什么是正压电效应和逆压电效应？纵向压电效应和横向压什么是正压电效应和逆压电效应？纵向压电效应和横向压电效应的区别是什么？试结合压电晶体加以说明。电效应的区别是什么？试结合压电晶体加以说明。电效应的区别是什么？试结合压电晶体加以说明。电效应的区别是什么？试结合压电晶体加以说明。2 2 2 2. .压电传感器能否
75、用于静态测量？为什么？说明压电式传压电传感器能否用于静态测量？为什么？说明压电式传压电传感器能否用于静态测量？为什么？说明压电式传压电传感器能否用于静态测量？为什么？说明压电式传感器可测动感器可测动感器可测动感器可测动 态信号频率范围与哪些因素有关。态信号频率范围与哪些因素有关。态信号频率范围与哪些因素有关。态信号频率范围与哪些因素有关。3. 3.电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们分别适用于什电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们分别适用于什电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们分别适用于什电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们分别适用于什么场合？么场合？么场合？么场合？4. 4. 4.
76、4. 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同试述在不同试述在不同试述在不同 接法下输出电压、电荷、电容的关系，它接法下输出电压、电荷、电容的关系，它接法下输出电压、电荷、电容的关系，它接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们适用于何种应用场合？们适用于何种应用场合？们适用于何种应用场合？们适用于何种应用场合？5. 5. 5. 5. 己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为己知电压前置放大器输人电
77、阻及总电容分别为己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为R=1MR=1MR=1MR=1M，C=100pFC=100pFC=100pFC=100pF，求与压电加速度计相配测，求与压电加速度计相配测，求与压电加速度计相配测，求与压电加速度计相配测1Hz1Hz1Hz1Hz振动时幅值误振动时幅值误振动时幅值误振动时幅值误差是多少？差是多少？差是多少？差是多少？传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第7 7 7 7章章章章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器习题与思考题：6. 6. 6. 6. 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，用石英晶体加
78、速度计及电荷放大器测量加速度，用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度， 已知：加速度计灵敏度为已知：加速度计灵敏度为已知：加速度计灵敏度为已知：加速度计灵敏度为5pc/g5pc/g5pc/g5pc/g，电荷放大器灵敏度为，电荷放大器灵敏度为，电荷放大器灵敏度为，电荷放大器灵敏度为 50mV/pc50mV/pc50mV/pc50mV/pc，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅 值为值为值为值为2V2V2V2V，试求该机器的振动加速度。，试求该机器的振动加速度。，试求
79、该机器的振动加速度。，试求该机器的振动加速度。7. 7. 7. 7. 一压电加速度计，专用电缆的长度为一压电加速度计，专用电缆的长度为一压电加速度计，专用电缆的长度为一压电加速度计，专用电缆的长度为1.2m1.2m1.2m1.2m，电缆电容为，电缆电容为，电缆电容为，电缆电容为 100pF100pF100pF100pF，压电片本身电容为，压电片本身电容为，压电片本身电容为，压电片本身电容为1000pF1000pF1000pF1000pF。出厂标定电压灵敏度。出厂标定电压灵敏度。出厂标定电压灵敏度。出厂标定电压灵敏度 为为为为100V/q100V/q100V/q100V/q，若使用中改用另一根长，若使用中改用另一根长，若使用中改用另一根长，若使用中改用另一根长2.9m2.9m2.9m2.9m电缆其电容量为电缆其电容量为电缆其电容量为电缆其电容量为 300pF,300pF,300pF,300pF,问其电压灵敏度如何改变？问其电压灵敏度如何改变？问其电压灵敏度如何改变？问其电压灵敏度如何改变？
