第五章电压型传感器

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1、第五章电压型传感器5.1.1 5.1.1 5.1.1 5.1.1 基本原理和组成基本原理和组成基本原理和组成基本原理和组成一、基本原理一、基本原理电磁感应定律电磁感应定律 由法拉第电磁感应定律，由法拉第电磁感应定律，由法拉第电磁感应定律，由法拉第电磁感应定律，N N N N匝线圈若每匝通过相同变化的匝线圈若每匝通过相同变化的匝线圈若每匝通过相同变化的匝线圈若每匝通过相同变化的磁通量磁通量磁通量磁通量，则整个线圈中所产生的感应电动势为：，则整个线圈中所产生的感应电动势为：，则整个线圈中所产生的感应电动势为：，则整个线圈中所产生的感应电动势为：磁通量磁通量变化方法：变化方法：磁铁与线圈之间作相对运

2、动；磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化磁路中磁阻的变化 ；恒定磁场中线圈面积的变化等；恒定磁场中线圈面积的变化等；二、基本组成二、基本组成 1 1磁路系统磁路系统产生恒定的直流磁场，一般用永久磁钢产生恒定的直流磁场，一般用永久磁钢2 2线圈线圈产生感应电压产生感应电压3 3运动机构运动机构感受被测运动感受被测运动第五章电压型传感器第五章电压型传感器铁心运动使气隙和磁路磁阻变化引起磁通变化，而在线铁心运动使气隙和磁路磁阻变化引起磁通变化，而在线圈中产生感应电势。圈中产生感应电势。感应电动势感应电动势e e与与d d/dt/dt成正比成正比5.1.2 5.1.2 5.1.2 5.1.2 结

3、构类型结构类型结构类型结构类型图图图图5-1-1 5-1-1 5-1-1 5-1-1 变磁通式结构变磁通式结构变磁通式结构变磁通式结构一、变磁通式一、变磁通式 永久磁铁和线圈均不动（变磁阻式）永久磁铁和线圈均不动（变磁阻式） 铁芯平移型铁芯平移型 铁芯旋转型铁芯旋转型 通过适当的设计可使通过适当的设计可使感应电动势与衔铁相感应电动势与衔铁相对于磁钢的振动速度对于磁钢的振动速度成线性关系，可用于成线性关系，可用于振动速度的测量振动速度的测量 铁芯旋转的铁芯旋转的恒定角速度恒定角速度 磁路中最大磁路中最大与最小磁通与最小磁通密度之差密度之差 第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-1-2

4、5-1-2 5-1-2 5-1-2 恒磁通式结构恒磁通式结构恒磁通式结构恒磁通式结构二、恒磁通式二、恒磁通式 永久磁铁与线圈相对运动（线圈切割磁力线产生感应永久磁铁与线圈相对运动（线圈切割磁力线产生感应电势）电势） 1. 1. 动铁式动铁式 线圈不动磁铁运动。线圈不动磁铁运动。第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-1-2 5-1-2 5-1-2 5-1-2 恒磁通式结构恒磁通式结构恒磁通式结构恒磁通式结构2. 2. 动圈式动圈式 磁铁不动线圈运动。磁铁不动线圈运动。平移型平移型 旋转型旋转型 线圈中产生的感应电势线圈中产生的感应电势e e与线圈相对磁铁运动的线速度与线圈相对磁铁运动的

5、线速度v v或角速度或角速度成正比。成正比。第五章电压型传感器第五章电压型传感器 直接输出感应电势且具有较高的灵敏度，一般不需要高直接输出感应电势且具有较高的灵敏度，一般不需要高直接输出感应电势且具有较高的灵敏度，一般不需要高直接输出感应电势且具有较高的灵敏度，一般不需要高增益放大器，获取位移和加速度信号需用积分或微分电路增益放大器，获取位移和加速度信号需用积分或微分电路增益放大器，获取位移和加速度信号需用积分或微分电路增益放大器，获取位移和加速度信号需用积分或微分电路5.1.3 5.1.3 5.1.3 5.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路图图图图5-1-3 5-1-3 5-1-3 5

6、-1-3 磁电式传感器测量电路方框图磁电式传感器测量电路方框图磁电式传感器测量电路方框图磁电式传感器测量电路方框图测振动速度测振动速度双刀双刀三掷开关置于三掷开关置于1-11-1 ，磁电感应式传感器后磁电感应式传感器后面不接积分电路也不面不接积分电路也不接微分电路接微分电路测振动位移测振动位移双刀双刀三掷开关置于三掷开关置于2-22-2 ，磁电感应式传感器后磁电感应式传感器后面接积分电路面接积分电路测振动加速度测振动加速度双双刀三掷开关置于刀三掷开关置于3-33-3 ，磁电感应式传感器，磁电感应式传感器后面接微分电路后面接微分电路第五章电压型传感器第五章电压型传感器 磁电感应式传感器虽然配接积

7、分电路后可测量位移，但磁电感应式传感器虽然配接积分电路后可测量位移，但磁电感应式传感器虽然配接积分电路后可测量位移，但磁电感应式传感器虽然配接积分电路后可测量位移，但是它只能测位移随时间的变化即动态位移。区别于前面电是它只能测位移随时间的变化即动态位移。区别于前面电是它只能测位移随时间的变化即动态位移。区别于前面电是它只能测位移随时间的变化即动态位移。区别于前面电阻式、电感式和电容式位移传感器测量固定不变的位移或阻式、电感式和电容式位移传感器测量固定不变的位移或阻式、电感式和电容式位移传感器测量固定不变的位移或阻式、电感式和电容式位移传感器测量固定不变的位移或距离。距离。距离。距离。 5-1-

8、1 5-1-1 5-1-1 5-1-1（a a a a）磁电感应式传感器与）磁电感应式传感器与）磁电感应式传感器与）磁电感应式传感器与4-3-14-3-14-3-14-3-1（a a a a）自感式传感）自感式传感）自感式传感）自感式传感器的异同。器的异同。器的异同。器的异同。 答：相同点：都有线圈和活动衔铁。答：相同点：都有线圈和活动衔铁。答：相同点：都有线圈和活动衔铁。答：相同点：都有线圈和活动衔铁。 不同点：不同点：不同点：不同点：图图图图5-1-1(a)5-1-1(a)5-1-1(a)5-1-1(a)磁电式传感器的线圈是绕在永久磁磁电式传感器的线圈是绕在永久磁磁电式传感器的线圈是绕在永

9、久磁磁电式传感器的线圈是绕在永久磁钢上，图钢上，图钢上，图钢上，图4-3-1(a)4-3-1(a)4-3-1(a)4-3-1(a)自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的自感式传感器的线圈是绕在不带磁性的铁心上。铁心上。铁心上。铁心上。自感式传感器的线圈的自感取决于活动衔铁与自感式传感器的线圈的自感取决于活动衔铁与自感式传感器的线圈的自感取决于活动衔铁与自感式传感器的线圈的自感取决于活动衔铁与铁心的距离，磁电式传感器线圈的感应电压取决于活动衔铁心的距离，磁电式传感器线圈的感应电压取决于活动衔铁心的距离，磁电式传感器线圈的感应电压取决

10、于活动衔铁心的距离，磁电式传感器线圈的感应电压取决于活动衔铁的运动速度。当衔铁不动时，气隙磁阻不变化，线圈磁铁的运动速度。当衔铁不动时，气隙磁阻不变化，线圈磁铁的运动速度。当衔铁不动时，气隙磁阻不变化，线圈磁铁的运动速度。当衔铁不动时，气隙磁阻不变化，线圈磁通不变化，线圈就没有感应电压，因此后者可测量静位移通不变化，线圈就没有感应电压，因此后者可测量静位移通不变化，线圈就没有感应电压，因此后者可测量静位移通不变化，线圈就没有感应电压，因此后者可测量静位移或距离而前者却不能。或距离而前者却不能。或距离而前者却不能。或距离而前者却不能。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器5.2 5.2 压电式传

11、感器压电式传感器概述概述 压压电电式式传传感感器器是是一一种种典典型型的的发发电电型型传传感感器器，以以电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，外外力力作作用用下下在在电电介介质质表表面面产产生生电电荷荷，从从而而实实现现非非电电量量测量。测量。 压压电电式式传传感感器器可可以以对对各各种种动动态态力力、机机械械冲冲击击和和振振动动进进行行测测量量，在在声声学学、医医学学、力力学学、导航方面都得到广泛的应用导航方面都得到广泛的应用。第五章电压型传感器第五章电压型传感器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

12、压电警号第五章电压型传感器第五章电压型传感器 某些电介质（晶体）某些电介质（晶体）某些电介质（晶体）某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力而变形时，当沿着一定方向施加力而变形时，当沿着一定方向施加力而变形时，当沿着一定方向施加力而变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会内部产生极化现象，同时在它表面会内部产生极化现象，同时在它表面会内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；产生符号相反的电荷；产生符号相反的电荷；产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电当外力去掉后，又重新恢复不带电当外力去掉后，又重新恢复不带电当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；状态；状态；状态； 当作

13、用力方向改变后，电荷的极性当作用力方向改变后，电荷的极性当作用力方向改变后，电荷的极性当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；也随之改变；也随之改变；也随之改变； vv 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。 5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 压电效应及其表达式压电效应及其表达式压电效应及其表达式压电效应及其表达式一、压电效应一、压电效应第五章电压型传感器第五章电压型传感器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 在在在在介介介介质质质质极极极极化化化化的的的的方方方方向向向向施施施施加加加加电电电电场场场场时时

14、时时，电电电电介介介介质质质质会会会会产产产产生生生生形形形形变变变变，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” ”。 所以压电元件可以将机械能所以压电元件可以将机械能所以压电元件可以将机械能所以压电元件可以将机械能转化成电能转化成电能转化成电能转化成电能 也可以将电能也可以将电能也可以将电能也可以将电能转化成机械能。转化成机械能。转化成机械能。转化成机械能。 压电元件压电元件机械能电能第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-1 5-2-1 5-2-1 5

15、-2-1 压电元件的力、电分布压电元件的力、电分布压电元件的力、电分布压电元件的力、电分布二、力电表示法二、力电表示法 T T1 1、T T2 2、T T3 3：沿：沿x x、y y、z z轴轴的正应力分量（拉应力为的正应力分量（拉应力为正，压应力为负）；正，压应力为负）；1 1、2 2、3 3：垂直于：垂直于x x、y y、z z轴的表面（轴的表面（x x、y y、z z轴面）上的电荷密度。轴面）上的电荷密度。T T4 4、T T5 5、T T6 6：绕：绕xyzxyz轴的切轴的切应力分量（逆时针方向为应力分量（逆时针方向为正，顺时针方向为负）；正，顺时针方向为负）；假定有一个正六面体的压电

16、元件，在三维直角坐标系内的假定有一个正六面体的压电元件，在三维直角坐标系内的力力- -电作用状况如图所示。电作用状况如图所示。第五章电压型传感器第五章电压型传感器三、压电效应表达式三、压电效应表达式1. 1. 单一压电效应单一压电效应单一应力作用单一应力作用 单一应力作用下的压电效应为：单一应力作用下的压电效应为：ii面上产生的电荷密度，面上产生的电荷密度，i=1,2,3,i=1,2,3,库仑库仑/ /米米2 2 ； jj方向的外加应力，方向的外加应力，j=1,2,3,4,5,6, j=1,2,3,4,5,6, Pa; ; jj方向应力引起方向应力引起i i面产生电荷时的压电常数面产生电荷时的

17、压电常数, C/N , C/N 库仑库仑/ /牛顿。牛顿。 i i 电荷产生面的下标，电荷产生面的下标，i=1,2,3;i=1,2,3; j j 应力方向的下标，应力方向的下标，j=1,2,3,4,5,6;j=1,2,3,4,5,6; 单一应力作用下的压电效应有以下四种类型：单一应力作用下的压电效应有以下四种类型：第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-2 5-2-2 5-2-2 5-2-2 压电效应的几种类型压电效应的几种类型压电效应的几种类型压电效应的几种类型i=j,i=j,应力与电荷面垂应力与电荷面垂直，厚度伸缩（纵向压直，厚度伸缩（纵向压电效应）电效应）,d11,d33,d

18、11,d33 ij,j3,ij,j3,应力与电荷面应力与电荷面平行，长宽伸缩（横向压电平行，长宽伸缩（横向压电效应）效应）d12,d31,d32 d12,d31,d32 j-j-i=3,j4, i=3,j4, 电电荷面受剪切荷面受剪切（面切压电效（面切压电效应）应）d14,d25d14,d25j-i3,j4,j-i3,j4,厚度受剪切厚度受剪切（剪切压电效（剪切压电效应）应）d24,d15,d26 d24,d15,d26 第五章电压型传感器第五章电压型传感器2. 2. 全压电效应全压电效应多应力同时作用多应力同时作用 常见实例常见实例体积压电效应，体积压电效应，P101P101图图5-2-25

19、-2-2（e e），在三个单向），在三个单向力同时作用下，产生体积变形压电效应，则有：力同时作用下，产生体积变形压电效应，则有： （i=1,2,3i=1,2,3） 3 3压电常数矩阵压电常数矩阵 由于电荷面有由于电荷面有xyzxyz轴面（轴面（i=1,2,3i=1,2,3）3 3种情况，应力方向有种情况，应力方向有（j=1,2,3,4,5,6j=1,2,3,4,5,6）6 6种情况，所以压电常数在理论上有种情况，所以压电常数在理论上有1818种可能值，写成矩阵形式：种可能值，写成矩阵形式：对不同的压电材料，由于各向异性的程度不同，上述压对不同的压电材料，由于各向异性的程度不同，上述压电常数矩阵

20、的电常数矩阵的1818个压电常数中，有的常数为个压电常数中，有的常数为0 0，表示不存，表示不存在压电效应。有的常数与另一个常数数字上相等或成倍在压电效应。有的常数与另一个常数数字上相等或成倍数关系。压电常数可通过测试获得。数关系。压电常数可通过测试获得。第五章电压型传感器第五章电压型传感器四、力四、力电荷转换公式电荷转换公式 因为，因为，j j方向所受应力方向所受应力T Tj j等于等于j j方向所受外力方向所受外力F Fj j与受力面积与受力面积S Sj j之比：之比： 电荷密度电荷密度i i等于电荷量等于电荷量Q Qi i和电荷产生面的面积和电荷产生面的面积S Si i之比：之比： 又压

21、电效应可表示为：又压电效应可表示为： 所以电荷量：所以电荷量： 压电常数压电常数电荷产生电荷产生面的面积面的面积 施加外力施加外力受力面积受力面积 确定压电效应产生的电荷与所受外力的关系。确定压电效应产生的电荷与所受外力的关系。对于纵向压电效应，因对于纵向压电效应，因i=ji=j，S Si i=S=Sj j, ,故故Q Qi i=d=dijijF Fj j=d=diiiiF Fi i第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-3 5-2-3 5-2-3 5-2-3 石英晶片上电荷极性与受力方向的关系石英晶片上电荷极性与受力方向的关系石英晶片上电荷极性与受力方向的关系石英晶片上电荷极性与

22、受力方向的关系纵向压纵向压电效应电效应横向压横向压电效应电效应如图（如图（a a）所示长）所示长l l宽宽b b厚厚h h的左旋石英晶体切片，若在的左旋石英晶体切片，若在x x轴轴方向施加压力方向施加压力FxFx，则晶体的，则晶体的x x轴正向带正电，如图（轴正向带正电，如图（b b）。）。 产生的产生的电荷量电荷量产生的产生的电荷量电荷量若在若在y y轴方向施加压力轴方向施加压力FyFy，则晶体的，则晶体的x x轴正向带负电，如图轴正向带负电，如图（c c）。）。 若若FyFy为拉力，则为拉力，则电荷极性相反电荷极性相反 若若FxFx为拉力，则为拉力，则电荷极性相反电荷极性相反第五章电压型传

23、感器第五章电压型传感器5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 常用压电材料常用压电材料常用压电材料常用压电材料具有压电效应的电介质称为压电材料。具有压电效应的电介质称为压电材料。 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，迄自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，迄今已出现的压电材料可分为三种类型：今已出现的压电材料可分为三种类型： 压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电压电晶体（单晶），包括压电石英晶体和其他压电单晶；单晶；单晶；单晶； 压电陶瓷（多晶半导瓷）；压电陶瓷（多晶半导瓷）；压电陶瓷

24、（多晶半导瓷）；压电陶瓷（多晶半导瓷）； 新型压电材料，压电半导体和有机高分子压电材料。新型压电材料，压电半导体和有机高分子压电材料。新型压电材料，压电半导体和有机高分子压电材料。新型压电材料，压电半导体和有机高分子压电材料。 目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。目前国内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。第五章电压型传感器第五章电压型传感器压 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一、石英晶体一、石英晶体 石英晶体是最常用的压电晶体之一，是石英晶体是最常用的压电晶体之一，是石英晶体是最常用

25、的压电晶体之一，是石英晶体是最常用的压电晶体之一，是单晶体结构，化学式为单晶体结构，化学式为单晶体结构，化学式为单晶体结构，化学式为SiO2SiO2。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-4 5-2-4 5-2-4 5-2-4 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体外形如图所示呈六角棱柱体，两端呈六角凌锥形状。外形如图所示呈六角棱柱体，两端呈六角凌锥形状。石英晶体具有较好的对称性，但各个方向的特性是不同的。石英晶体具有较好的对称性，但各个方向的特性是不同的。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器Z Z轴（光轴或中性轴）：与晶体上下晶锥顶点连线重合，光线轴（光轴或中性轴）：与晶体上下晶

26、锥顶点连线重合，光线沿该轴通过石英晶体时无折射，且该轴方向上没有压电效应）沿该轴通过石英晶体时无折射，且该轴方向上没有压电效应）x x轴（电轴）轴（电轴） ：经过六棱柱棱线垂直于光轴：经过六棱柱棱线垂直于光轴z z，垂直于此轴的，垂直于此轴的面上压电效应最强面上压电效应最强 y y轴（机轴或机械轴）：垂直于光轴轴（机轴或机械轴）：垂直于光轴z z和电轴和电轴x x，在电场，在电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显作用下沿该轴方向的机械变形最明显石英晶体坐标系的确定：石英晶体坐标系的确定：石英晶体压电特性与内部分石英晶体压电特性与内部分子结构的关系：子结构的关系：第五章电压型传感器第五章电压型传感

27、器当石英晶体当石英晶体未受外力作用未受外力作用时时, , 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, , 形形成三个互成成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P P1 1、 P P2 2、P P3 3, P, P1 1+P+P2 2+P+P3 3 = 0, = 0, 所以晶体表面所以晶体表面不产生电荷不产生电荷, , 即呈中性。即呈中性。 当石英晶体当石英晶体受到沿受到沿x x轴方向的压力作用轴方向的压力作用时时, , 晶体沿晶体沿x x方向将产生压缩变形方向将产生压缩变形, ,正负正负电荷重心不再重合电荷重心不再重合, ,在在x x轴的正方向出现正

28、电荷轴的正方向出现正电荷, , 电偶极矩在电偶极矩在y y方向上的分量仍方向上的分量仍为零为零, , 不出现电荷不出现电荷. .当晶体受到当晶体受到沿沿y y轴方向的压力作用轴方向的压力作用时时, ,在在x x轴上出现电荷轴上出现电荷, , 它的极性为它的极性为x x轴正向轴正向为负电荷。在为负电荷。在y y轴方向上不出现电荷。轴方向上不出现电荷。 如果如果沿沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, , 因为晶体在因为晶体在x x方向和方向和y y方向所产生的形变完全相方向所产生的形变完全相同同, , 所以正负电荷重心保持重合所以正负电荷重心保持重合, , 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿电偶

29、极矩矢量和等于零。这表明沿z z轴方轴方向施加作用力向施加作用力, , 晶体不会产生压电效应。晶体不会产生压电效应。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器石英晶体压电常数矩阵：石英晶体压电常数矩阵： 石英晶体独立的压电常数只有两个石英晶体独立的压电常数只有两个d d1111和和d d1414，其压电常数，其压电常数矩阵为：矩阵为： 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。第五章电压型传感器第五章电压型传感器在在x x方向上：只有方向上：只有d d1111的纵向的纵向压电效应（图压电效应（图a a）；）；d d1212（d d1212=-d=-d111

30、1）的横向压电效应）的横向压电效应（图（图b b）；）；d d1414的面切压电效的面切压电效应。应。图图图图5-2-5 5-2-5 5-2-5 5-2-5 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-5 5-2-5 5-2-5 5-2-5 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应在在y y方向上：只有方向上：只有d d2525（d d2525=-d=-d1414）的面切压电效应（图）的面切压电效应（图c c）和）和d d2626（d d2626=-2d=-2d1111）的剪切压电效

31、应；）的剪切压电效应；在在z z方向上：无任何压电效应。方向上：无任何压电效应。第五章电压型传感器第五章电压型传感器压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷是是是是一一一一种种种种经经经经极极极极化化化化处处处处理理理理后后后后的的的的人人人人工工工工多多多多晶晶晶晶体体体体（由由由由无无无无数数数数细细细细微微微微的的的的单单单单晶晶晶晶组组组组成成成成）铁铁铁铁电电电电体体体体（具具具具有有有有类类类类似似似似铁铁铁铁磁磁磁磁材材材材料料料料磁磁磁磁畴畴畴畴的的的的电电电电畴畴畴畴结构）压电材料。结构）压电材料。结构）压电材料。结构）压电材料。 每个单晶形成一单个电畴；每个单晶形成一单个电畴；每个

32、单晶形成一单个电畴；每个单晶形成一单个电畴； 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杂杂杂杂乱乱乱乱分分分分布布布布，极极极极化化化化相相相相互互互互抵抵抵抵消消消消，呈中性。呈中性。呈中性。呈中性。二、压电陶瓷二、压电陶瓷 第五章电压型传感器第五章电压型传感器 施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化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。外外电电场场强强度度达达到到饱饱和和程程度度时时，所所有有的的电电畴畴与与外外电场一致。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

33、，剩剩余余极极化化强强度度很很大大。所所以以，压压电电陶陶瓷瓷极极化化后后才才具具有有压压电电特特性性，未未极极化化时时是非压电体。是非压电体。 对对于于压压电电陶陶瓷瓷，通通常常将将极极化化方方向向定定义义为为Z Z轴轴，垂垂直直于于Z Z轴轴的的平平面面内内则则各各向向同同性性，与与Z Z轴轴垂垂直直的的任任何何正正交交方方向向都都可可取取做做x x和和y y轴，且压电特性相同。轴，且压电特性相同。第五章电压型传感器第五章电压型传感器由实验测得钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为：由实验测得钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为：由实验测得钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为：由实验测得钛酸钡压电陶瓷的压电常

34、数矩阵为： 压电陶瓷的压电常数比石英晶体的大数十倍。压电陶瓷的压电常数比石英晶体的大数十倍。压电陶瓷的压电常数比石英晶体的大数十倍。压电陶瓷的压电常数比石英晶体的大数十倍。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器 钛酸钡压电陶瓷的压电效应：钛酸钡压电陶瓷的压电效应：钛酸钡压电陶瓷的压电效应：钛酸钡压电陶瓷的压电效应：图图图图5-2-7 5-2-7 5-2-7 5-2-7 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应在在x x方向上：只有方向上：只有d d1515的厚度剪切压电的厚度剪切压电效应效应在在y y方向上：只有方向上：只有d d2424的厚度剪切压电的厚度剪切

35、压电效应效应第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-7 5-2-7 5-2-7 5-2-7 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 d d3333的纵向压电效应的纵向压电效应在在z z方向上：方向上： d d3131的横向压电效应的横向压电效应 d d3232的横向压电效应的横向压电效应第五章电压型传感器第五章电压型传感器 三向应力三向应力T T1 1、T T2 2、T T3 3同时作用下的体积形压电效应同时作用下的体积形压电效应图图图图5-2-7 5-2-7 5-2-7 5-2-7 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的

36、压电效应 当外加三向压力相等（如液体压力）时，有：当外加三向压力相等（如液体压力）时，有：当外加三向压力相等（如液体压力）时，有：当外加三向压力相等（如液体压力）时，有： 体积压缩压体积压缩压电常数电常数第五章电压型传感器第五章电压型传感器5.2.3 5.2.3 5.2.3 5.2.3 压电元件压电元件压电元件压电元件一、压电元件的基本变形方式一、压电元件的基本变形方式 有有有有5 5 5 5种种种种基基基基本本本本变变变变形形形形方方方方式式式式：厚厚厚厚度度度度伸伸伸伸缩缩缩缩、长长长长宽宽宽宽伸伸伸伸缩缩缩缩、厚厚厚厚度度度度切切切切变变变变、长宽切变、体积压缩。长宽切变、体积压缩。长宽

37、切变、体积压缩。长宽切变、体积压缩。 石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体的的的的长长长长宽宽宽宽切切切切变变变变压压压压电电电电效效效效应应应应最最最最差差差差，很少取用。很少取用。很少取用。很少取用。 压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷的的的的厚厚厚厚度度度度切切切切变变变变压压压压电电电电效效效效应应应应最最最最好好好好，要要要要尽尽尽尽量量量量取取取取用。用。用。用。 压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷的的的的的的的的体体体体积积积积压压压压缩缩缩缩压压压压电电电电效效效效应应应应具具具具有有有有优优优优越越越越性性性性，适适适适用用用用于于于于空空空空间间间间力力力力场场场场（如如如如液液液

38、液体压力）的测量。体压力）的测量。体压力）的测量。体压力）的测量。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器 在在在在压压压压电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器中中中中，一一一一般般般般利利利利用用用用压压压压电电电电元元元元件件件件的的的的纵纵纵纵向向向向压压压压电电电电效效效效应应应应较多，这时压电元件大多是圆片式。较多，这时压电元件大多是圆片式。较多，这时压电元件大多是圆片式。较多，这时压电元件大多是圆片式。 压电晶体与压电陶瓷的比较：压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳

39、定性好，适石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-8 5-2-8 5-2-8 5-2-8 双晶片悬臂梁式压电元件双晶片悬臂梁式压电元件双晶片悬臂梁式压电元件双晶片悬臂梁式压电元件压电元件的横向压

40、电效应的应用压电元件的横向压电效应的应用压电元件的横向压电效应的应用压电元件的横向压电效应的应用 自自自自由由由由端端端端受受受受力力力力F F F F作作作作用用用用，压压压压电电电电元元元元件件件件产产产产生生生生形形形形变变变变，中中中中心心心心面面面面oooooooo 长长长长度度度度不不不不变变变变，aaaaaaaa 被被被被拉拉拉拉长长长长，bbbbbbbb 被被被被压压压压缩缩缩缩短短短短了了了了，产产产产生生生生压压压压电电电电效效效效应应应应，这这这这时时时时每片压电片产生的电荷为：每片压电片产生的电荷为：每片压电片产生的电荷为：每片压电片产生的电荷为： 可可可可用用用用作作

41、作作加加加加速速速速度度度度传传传传感感感感器器器器和和和和测测测测量量量量粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度的的的的轮轮轮轮廓仪的测头廓仪的测头廓仪的测头廓仪的测头悬臂长度悬臂长度单片压电单片压电片的厚度片的厚度第五章电压型传感器第五章电压型传感器二、压电元件的等效电路二、压电元件的等效电路 压压压压电电电电元元元元件件件件的的的的两两两两电电电电极极极极间间间间的的的的石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体或或或或压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷为为为为绝绝绝绝缘缘缘缘体体体体，因此就构成了一个电容器，其等效电容为：因此就构成了一个电容器，其等效电容为：因此就构成了一个电容器，其等效电容为：因此就构成了一

42、个电容器，其等效电容为： 压电陶瓷或石英晶体的介压电陶瓷或石英晶体的介电常数电常数极板面积极板面积压电元件厚度（两压电元件厚度（两极板间距离）极板间距离）当当当当压压压压电电电电元元元元件件件件受受受受外外外外力力力力作作作作用用用用时时时时，两两两两电电电电极极极极表表表表面面面面产产产产生生生生等等等等量量量量的的的的正正正正、负负负负电电电电荷荷荷荷Q Q Q Q。因因因因此此此此压压压压电电电电元元元元件件件件可可可可等等等等效效效效为为为为一一一一个个个个电电电电荷荷荷荷源源源源Q Q Q Q和电容和电容和电容和电容CaCaCaCa并联。并联。并联。并联。 第五章电压型传感器第五章电

43、压型传感器图图图图5-2-9 5-2-9 5-2-9 5-2-9 压电元件的等效电路压电元件的等效电路压电元件的等效电路压电元件的等效电路 压压压压电电电电元元元元件件件件受受受受外外外外力力力力作作作作用用用用时时时时，在在在在电电电电极极极极表表表表面面面面产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷时时时时，两两两两电电电电极极极极间将形成电压，其值为：间将形成电压，其值为：间将形成电压，其值为：间将形成电压，其值为：注意：压电元件不受注意：压电元件不受外力作用时，电极表外力作用时，电极表面没有电荷产生，此面没有电荷产生，此时压电元件等效为一时压电元件等效为一个电容器个电容器CaCa压压压压电电电电

44、元元元元件件件件可可可可等等等等效效效效为为为为一一一一个个个个电压源电压源电压源电压源UaUaUaUa与电容与电容与电容与电容CaCaCaCa的串联。的串联。的串联。的串联。 第五章电压型传感器第五章电压型传感器 三、压电元件的串并联三、压电元件的串并联 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、多多多多片片片片压压压压电电电电元元元元件件件件组组组组合合合合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

45、电电电电材材材材料料料料有有有有极极极极性性性性，因因因因此存在两种连接方法：此存在两种连接方法：此存在两种连接方法：此存在两种连接方法：并联时，相邻两并联时，相邻两片压电元件按极片压电元件按极化方向相反粘贴，化方向相反粘贴，两片之间夹垫金两片之间夹垫金属片并引出导线，属片并引出导线，两端导线相间并两端导线相间并联，联，n n个压电元个压电元件可视为一个压件可视为一个压电元件电元件串联时，串联时，相邻两片相邻两片压电元件压电元件按相同极按相同极化方向粘化方向粘贴，端面贴，端面用金属垫用金属垫片引出导片引出导线线图图图图5-2-10 5-2-10 压电元件的串并联压电元件的串并联压电元件的串并联

46、压电元件的串并联第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-10 5-2-10 5-2-10 5-2-10 压电元件的串并联压电元件的串并联压电元件的串并联压电元件的串并联 并并并并联联联联组组组组合合合合后后后后等等等等效效效效压压压压电电电电元件有：元件有：元件有：元件有： 串串串串联联联联组组组组合合合合后后后后等等等等效效效效压压压压电电电电元件有：元件有：元件有：元件有：（1 1）串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适用）串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适用于电压输出、高频信号测量的场合；于电压输出、高频信号测量的场合；（2 2）并联使压电传感器时间常

47、数增大，电荷灵敏度增大，适用）并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适用于电荷输出、低频信号测量的场合。于电荷输出、低频信号测量的场合。第五章电压型传感器第五章电压型传感器 压电传感器与其前置放大器相连接时的等效电路如图压电传感器与其前置放大器相连接时的等效电路如图压电传感器与其前置放大器相连接时的等效电路如图压电传感器与其前置放大器相连接时的等效电路如图(a):(a):(a):(a):5.2.4 5.2.4 5.2.4 5.2.4 接口电路接口电路接口电路接口电路图图图图5-2-11 5-2-11 5-2-11 5-2-11 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

48、传感器等效电路一、压电传感器等效电路一、压电传感器等效电路 压电元件的电压电元件的电容、漏电阻容、漏电阻连接电连接电缆电容缆电容前置放大器的输入前置放大器的输入电阻和输入电容电阻和输入电容 压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输出出出出信信信信号号号号非非非非常常常常微微微微弱弱弱弱，因因因因此此此此，在在在在压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器的的的的后后后后面面面面，先先先先接接接接一一一一个个个个高高高高输输输输入入入入阻阻阻阻抗抗抗抗的的的的前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器，然然然然后后后后再再再再接接接接一一一一般般般般的的的的放大电路及其他电路。放大电

49、路及其他电路。放大电路及其他电路。放大电路及其他电路。第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-12 5-2-12 5-2-12 5-2-12 电压放大器电路电压放大器电路电压放大器电路电压放大器电路二、电压放大器二、电压放大器 压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示：压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示：压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示：压电传感器与电压放大器的连接电路如图所示： 输出电压为：输出电压为：输出电压为：输出电压为： 第五章电压型传感器第五章电压型传感器 电压灵敏度为：电压灵敏度为：电压灵敏度为：电压灵敏度为： 输出电压与输入电荷之间的转换关系为：输出电压

50、与输入电荷之间的转换关系为：输出电压与输入电荷之间的转换关系为：输出电压与输入电荷之间的转换关系为： 输出电压与输入电荷的转换灵敏度为：输出电压与输入电荷的转换灵敏度为：输出电压与输入电荷的转换灵敏度为：输出电压与输入电荷的转换灵敏度为： 电压放大器输出电压电压放大器输出电压与输入电荷之间的转与输入电荷之间的转换关系具有一阶高通换关系具有一阶高通滤波特性滤波特性 又电荷量与所受力成正比：又电荷量与所受力成正比：又电荷量与所受力成正比：又电荷量与所受力成正比： 电缆电容电缆电容C Cc c改变会引起改变会引起C C改变而引起灵敏度改变，改变而引起灵敏度改变，更换电缆需重新校正传感更换电缆需重新校

51、正传感器的灵敏度，这是电压放器的灵敏度，这是电压放大器的缺点大器的缺点减小减小0 0( (增大增大R R或或C)C)可扩展传感器可扩展传感器工作频带的低频工作频带的低频端，但是增大端，但是增大C C会会降低灵敏度，所降低灵敏度，所以一般配置输入以一般配置输入电阻电阻R R很大的前置很大的前置放大器放大器第五章电压型传感器第五章电压型传感器图图图图5-2-13 5-2-13 5-2-13 5-2-13 电荷放大器电荷放大器电荷放大器电荷放大器三、电荷放大器三、电荷放大器 压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器与与与与电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器的的的的连连连连接接接接电电电电路路路

52、路如如如如图图图图所所所所示示示示，理理理理想想想想情情情情况况况况下下下下R R R R、C C C C两端电压均为零，则：两端电压均为零，则：两端电压均为零，则：两端电压均为零，则： 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之之之之间间间间的的的的转转转转换换换换关关关关系为：系为：系为：系为： 电荷放大器输出电压与输电荷放大器输出电压与输入电荷之间的转换关系具入电荷之间的转换关系具有一阶高通滤波特性有一阶高通滤波特性第五章电压型传感器第五章电压型传感器 电荷灵敏度为：电荷灵敏度为：电荷灵敏度为：电荷灵敏度为： 灵敏度与电缆电容灵敏度与电缆电容C Cc c无

53、关，无关，只取决于反馈电容只取决于反馈电容C CF F，更，更换电缆无需重新校正传感换电缆无需重新校正传感器的灵敏度器的灵敏度 输出电压与输入电荷的转换灵敏度为：输出电压与输入电荷的转换灵敏度为：输出电压与输入电荷的转换灵敏度为：输出电压与输入电荷的转换灵敏度为： 又电荷量与所受力成正比：又电荷量与所受力成正比：又电荷量与所受力成正比：又电荷量与所受力成正比： 在实际电路中，采用切换在实际电路中，采用切换反馈电容反馈电容C CF F来改变传感器来改变传感器的灵敏度的灵敏度 由由由由于于于于电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器的的的的时时时时间间间间常常常常数数数数R RF FC CF F相

54、相相相当当当当大大大大，下下下下限限限限截截截截止止止止频频频频率率率率可可可可达达达达3*103*10-6-6HzHz，所所所所以以以以压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器配配配配接接接接电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器时时时时，低低低低频频频频响响响响应应应应比比比比配配配配接接接接电电电电压压压压放放放放大大大大器器器器要要要要好好好好的的的的多多多多，可可可可对对对对准准准准静静静静态态态态的的的的物物物物理理理理量量量量进进进进行有效的测量。行有效的测量。行有效的测量。行有效的测量。 结论：结论：1. 1. 压电式传感器不能测量频率太低的被测量，特别是压电式传感器不能测量

55、频率太低的被测量，特别是不能测量静态参数（不能测量静态参数（0 0）；）；2. 2. 采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正采用电压放大器，更换电缆时，须重新校正3. 3. 采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正采用电荷放大器，更换电缆时，无须重新校正第五章电压型传感器第五章电压型传感器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 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；压电加速度计传感器； 3 3 3 3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

56、破碎报警器；压电式玻璃破碎报警器； 4 4 4 4血压测量；血压测量；血压测量；血压测量； 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、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； 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） 压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力压电传感器多用来测量

57、加速度和动态力或压力压电传感器多用来测量加速度和动态力或压力第五章电压型传感器第五章电压型传感器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第五章电压型传感器第五章电压型传感器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第五章电压型传感器第五章电压型传感器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第五章电压型传感器第五章电压型传感器