医学专题—医用传感器-6资料32463

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1、第第6章章 压电式传感器压电式传感器第一页，共八十二页。等效电路及测量等效电路及测量(cling)(cling)电路电路1.2第第6章章 压电式传感器压电式传感器压电效应及材料压电效应及材料6.16.26.3压电传感器的应用压电传感器的应用(yngyng)第二页，共八十二页。第一节第一节 压电效应压电效应(y din xio (y din xio yng)yng) 某某些些电电介介质质, , 当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时, , 其其内内部部就就产产生生极极化化现现象象（内内部部正正负负电电荷荷中中心心相相对对位位移移）, , 同同时时(tngsh)(tn

2、gsh)在在它它的的两两个个表表面面上上便便产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷, , 当当外外力力去去掉掉后后, , 其其又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电状状态态， 这这种种现现象象称称压压电电效效应应。当当作作用用力力方方向向改改变变时时, , 电电荷荷的的极极性性也也随随之之改改变变。 这这种种机机械械能能转转换换为为电电能能的的现现象象, , 称称为为“正正压压电效应电效应” ” 。v压电效应压电效应(y din xio yng)(y din xio yng)第三页，共八十二页。v压电效应(y din xio yng)-定义v某些电介质（晶体），当沿着一定(ydng)方向对其施力而

3、使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称压电效应。 第四页，共八十二页。压电效应压电效应(y din xio (y din xio yng)yng)-分类分类正正压电压电效效应应：当作用力当作用力方向改变方向改变时，电荷的极性也随之时，电荷的极性也随之 改变，常把这种改变，常把这种机械能机械能转换转换(zhunhun)(zhunhun)为为电能电能的现的现象象 称正压电效应称正压电效应（或（或顺压电效应顺压电效应）。）。逆逆压电压电效效应应：当在电介质极化方向当在电介质极化方向(fngxing)(fngxing)上

4、施加上施加电场，电场，这些这些 电介质也会在产生电介质也会在产生几何变形几何变形，当外加电场，当外加电场 撤去撤去时，这些变形也随之时，这些变形也随之消失消失，这种将，这种将电电 能能转化成转化成机械能机械能的现象称逆压电效应（或的现象称逆压电效应（或 称电致伸缩效应）。称电致伸缩效应）。 第五页，共八十二页。压电效应具有压电效应具有可逆性，可逆性，利用这一特性利用这一特性(txng)(txng)可以实现可以实现机械能机械能和和电能电能 的相互转换。的相互转换。 压电效应压电效应(y din xio yng)(y din xio yng)-特性特性压电元件压电元件机机械械能能电电能能逆压电效应

5、逆压电效应正压电效应正压电效应第六页，共八十二页。第七页，共八十二页。第八页，共八十二页。第九页，共八十二页。第十页，共八十二页。压电晶体：如石英等；压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型新型(xnxng)压电材料：压电半导体压电材料：压电半导体( (如硫化锌、碲化镉等如硫化锌、碲化镉等) ) 高分子压电材料。高分子压电材料。自自然然界界中中大大多多数数晶晶体体都都具具有有压压电电效效应应(y din xio yng), 但但压压电电效效应应十十分微弱分微弱 压电材料压电材料(cilio)(cilio)-分分类类分分类类具有压电效应的材料称为具

6、有压电效应的材料称为压电材料。压电材料。第十一页，共八十二页。 石英是单晶体，具有规则的几何石英是单晶体，具有规则的几何(j h)外形，其形状为外形，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。二、石英二、石英(shyng)(shyng)晶体晶体第十二页，共八十二页。vZ Z轴轴 ( (光轴光轴），是晶体的对称轴，用光学方法确定，作为是晶体的对称轴，用光学方法确定，作为基准轴。基准轴。vX X轴轴 ( (电轴电轴) )，经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直于经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直于光轴，该轴压电效应最显著。光轴，该轴压电效应最显著。vY Y轴轴 ( (机械轴机

7、械轴) )，垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生(chnshng)(chnshng)的变形最大。的变形最大。第十三页，共八十二页。石英晶体石英晶体(jngt)(jngt)压电效应机理压电效应机理石英石英(shyng)(shyng)晶体：晶体：SiO2代表代表(dibio)硅离子硅离子 Si4+“ ”代表硅离子代表硅离子 2O2_“ ”当石英晶体没有受到外力作当石英晶体没有受到外力作用时：用时：正负电荷中心重合正负电荷中心重合晶体表面不产生电荷，呈电晶体表面不产生电荷，呈电中性。中性。第十四页，共八十二页。1.1.当石英晶体在当石英晶体在X X轴方向轴方向

8、(fngxing)上受到压上受到压力时：力时：结果结果(ji gu)：A面上面上(min shn)呈现负呈现负电荷电荷B面上呈现正电荷面上呈现正电荷这种沿这种沿X轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X轴轴的晶面上产生电荷的现象，就是的晶面上产生电荷的现象，就是“纵向压电效应纵向压电效应”。第十五页，共八十二页。2.2.当石英晶体当石英晶体(jngt)在在Y Y轴方向上受到压力时：轴方向上受到压力时： 结果结果(ji gu)：A面上面上(min shn)呈现正呈现正电荷电荷B面上呈现负电荷面上呈现负电荷这种沿这种沿Y轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X轴轴的晶面上产生电荷的现象，就是的

9、晶面上产生电荷的现象，就是“横向压电效应横向压电效应”。第十六页，共八十二页。3.3.当石英晶体在当石英晶体在Z Z轴方向轴方向(fngxing)上受到压力上受到压力时：时： 正负电荷始终中心重合，所以晶体表面正负电荷始终中心重合，所以晶体表面(biomin)无电荷产无电荷产生。生。沿沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生轴方向施加外力，石英晶体不产生(chnshng)压电效应。压电效应。第十七页，共八十二页。纵纵向向( (z z n n x xi i n n ) )压压电电效效应应横横向向( (h h n n x xi i n n ) )压压电电效效应应第十八页，共八十二页。表面电荷表面电荷(d

10、inh)的计算问题的计算问题有一石英晶体，其长度为有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为，宽度为4mm，厚度为，厚度为10mm，当受到压力，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向压电效应的压缩力作用时，求在纵向压电效应的压缩力作用下产生作用下产生(chnshng)的电荷量。（的电荷量。（d=2.31PC/N）x xb bzy ya ac第十九页，共八十二页。x xb bzy ya acv当沿当沿X X轴轴施加作用力时，晶片产生厚度变形施加作用力时，晶片产生厚度变形(bin xng)(bin xng)，并，并在与在与x轴垂直的平面上产生电荷，且轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度电荷密度与与应力应

11、力成正比：成正比：x轴轴方向方向(fngxing)(fngxing)受力的压电系数；受力的压电系数；第二十页，共八十二页。x xb bzy ya acv沿沿y轴轴施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与x轴垂直轴垂直的平面上产生电荷的平面上产生电荷(dinh)，且，且电荷密度电荷密度与与应力应力成正比：成正比：y轴轴方向方向(fngxing)(fngxing)受力的压电系数；受力的压电系数；晶片厚度晶片厚度晶片厚度晶片厚度(hud)(hud)第二十一页，共八十二页。结论结论： 当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向的压力作用时，qx只与作用力只与作用力

12、Fx 成成正比正比，而与晶片的，而与晶片的尺寸无关尺寸无关； 沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与方向向晶片施加压力时，产生的电荷与 几何尺寸有关几何尺寸有关； 石英晶体石英晶体不是在任何方向不是在任何方向都存在都存在(cnzi)压电效应的；压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 一定存在一定存在逆压电效应逆压电效应； 无无论论是是正正或或逆逆压压电电效效应应(y din xio yng)，其其作作用用力力（或或应应变变）与与 电荷之间皆呈电荷之间皆呈线性关系线性关系。第二十二页，共八十二页。v压电陶瓷是人工制造的多晶

13、压电材料，它比石英晶体的压电压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电元件绝大多数都采用(ciyng)(ciyng)压电陶瓷。常用的压电陶瓷压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及非铅系压电陶瓷（如）及非铅系压电陶瓷（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。压电陶瓷产品压电陶瓷产品v压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)的压电效应的压电效应第二十三页，共八十二页。压电陶瓷压电陶瓷(toc)：属于铁电体一

14、类的物质属于铁电体一类的物质, ,是人工制造的多晶体压是人工制造的多晶体压 电材料电材料, , 具有类似铁磁材料磁畴结构的具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴电畴结构结构 电畴电畴: 分子自发形成的区域分子自发形成的区域, ,有一定的极化方向有一定的极化方向, ,从而存电场从而存电场 未加未加电场电场(din chng)原原始始(yunsh)(yunsh)的的压压电电陶陶瓷瓷内内呈呈中中性性 不具有压电性质。不具有压电性质。 在无电场作用时在无电场作用时，电畴在晶体中，电畴在晶体中杂乱分布杂乱分布它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。极化强度为零。第二

15、十四页，共八十二页。 压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工多多晶晶铁铁电电体体，原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈现现各各向向同同性性不不具具有有压压电电性性。在在无无外外电电场场作作用用(zuyng)时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因此原始的压电陶瓷呈因此原始的压电陶瓷呈中性中性，不具有压电性质不具有压电性质。 a)极化(j hu)前 b)极化 c)极化后第二十五页，共八十二页。 加加电场电场(din chng) 施加外电场时，电畴的施加外电场时，电畴的极化方向发生转动极化方向发生转

16、动(zhun dng)(zhun dng)，趋向，趋向外电场方向排列外电场方向排列。从而使材料得到极化。外电场愈强，。从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 当外电场强度大到使材料的极化达到当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度饱和程度，即，即极化方向都整齐地极化方向都整齐地与外电场方向一致与外电场方向一致，当外电场去掉后当外电场去掉后电畴的极化方向基本不变电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大。，即剩余极化强度很大。压电陶瓷极化后压电陶瓷极化后 具有压电特性具有压电特性(txng)(txng) 未极化时是非压电体未极

17、化时是非压电体第二十六页，共八十二页。(a)极化处理前极化处理前剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长(c)极化处理后极化处理后 直流电场直流电场E电场作用下的伸长电场作用下的伸长(b)极化处理中极化处理中第二十七页，共八十二页。由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 0，即在陶，即在陶瓷的瓷的一端出现正束缚电荷一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷另一端出现负束缚电荷。由。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自外界的自由电荷自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷。

18、这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等符号相反而数量相等(xingdng)(xingdng)。所以整体上表现为。所以整体上表现为电中性电中性。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图第二十八页，共八十二页。如如果果在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F，如如图图，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩形形变变，片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由由电电荷荷，有有一一部部分分被被释放释放，而出现放电荷现象

19、，而出现放电荷现象(xinxing)(xinxing)。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F 间的间的距离变大距离变大，极化强度也变大，极化强度也变大，因此电极上又因此电极上又吸附吸附一部分自由电荷一部分自由电荷而出现充电现象。而出现充电现象。 这种由机械能转变为电能的现象，就这种由机械能转变为电能的现象，就是是(jish)(jish)正压电效应正压电效应。 第二十九页，共八十二页。 d33 压电陶瓷压电陶瓷(toc)的压电系的压电系数数 F作用力作用力晶晶体体

20、极极化化后后，沿沿极极化化方方向向(fngxing)(fngxing)（垂垂直直极极化化平平面面）作作用用力力时时，引引起起剩剩余余极极化化强强度度变变化化，在在极极化化面面上上产产生生电电荷荷，电电荷荷量量的的大大小小与与外外力成正比关系：力成正比关系：d33 d11、d12 压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷制制制制作作作作(zhzu)(zhzu)传传传传感感感感器器器器灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度比比比比压压压压电电电电晶晶晶晶体体体体高高高高第三十页，共八十二页。第三十一页，共八十二页。同同样样，若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，如如图图，由由于于

21、(yuy)(yuy)电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离也也增增大大，就就是是说，陶瓷片沿极化方向产生说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变伸长形变。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产生产生缩短形变缩短形变。 极化(j hu)方向电 场(din chng)方向 这种将电能转变为机械能这种将电能转变为机械能的现象，就是的现象，就是逆压电效应逆压电效应。第三十二页，共八十二

22、页。第三十三页，共八十二页。种类种类：v压电单晶体压电单晶体，如石英等；，如石英等；v压电陶瓷压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；，如钛酸钡、锆钛酸铅等；v压电半导体压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： 转换转换(zhunhun)性能性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。 机机械械性性能能。希希望望它它的的机机械械强强度度高高、刚刚度度大大，以以期期获获得得宽宽的的线线性性范范围和高的固有振动频率。围和高的固有振动频率。 电电性性能能。希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以减减弱弱外外部部分分布布电电容

23、容的影响并获得良好的低频特性。的影响并获得良好的低频特性。 环环境境适适应应性性强强。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，要要求求具具有有较较高高的的居居里里点点，获得较宽的工作温度范围。获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。 v压电材料压电材料(cilio)(cilio)第三十四页，共八十二页。一、一、等效电路等效电路 压压电电传传感感器器在在受受外外力力作作用用时时，在在两两个个电电极极表表面面(biomin)将将要要聚聚集集电电荷荷，且且电电荷荷量量相相等等，极极性性相相反反。这这时时它它相相当当于于一一个个以以压压电电

24、材料为电介质的材料为电介质的电容器电容器，其电容量为，其电容量为 式中：式中：0为真空介电常数；为真空介电常数；为压电材料的相对介电常数；为压电材料的相对介电常数；d 为压电元件的厚度；为压电元件的厚度；A 为压电元件极板面积。为压电元件极板面积。 第二节第二节 等效电路和测量等效电路和测量(cling)(cling)电路电路第三十五页，共八十二页。当压电晶体在当压电晶体在外力外力作用作用(zuyng)(zuyng)下，其两个极面上将出现下，其两个极面上将出现极性相反极性相反电量相等的电荷电量相等的电荷压电传感器可以看作压电传感器可以看作电荷发生器电荷发生器, ,图图(a)同同时时, ,它它也

25、也是是一一个个电电容容器器, , 晶晶体体上上聚聚集集正正、负负电电荷荷的的两两表表面面相相当当于于电容的两个电容的两个极板极板, , 极板间物质极板间物质(wzh)(wzh)等效于一种等效于一种介质介质, ,图图(b) q电极电极压电晶体压电晶体(a) 压电传感器的等效原理压电传感器的等效原理qCa(b)第三十六页，共八十二页。当两极板聚集当两极板聚集异性电荷异性电荷时时, 则两极板呈现一定的则两极板呈现一定的电压电压(diny), 大小为大小为 q电极电极压电晶体压电晶体(a) 压电传感器的等效原理压电传感器的等效原理qCa(b) A、d -压电片的面积压电片的面积(min j)、厚度、厚

26、度 0(=1/3.6 )、r -真空、压电材料的相对介电常数真空、压电材料的相对介电常数电电容量容量第三十七页，共八十二页。（a）等效）等效(dn xio)电压电压源源一一 个个 与与 电电 容容(dinrng)相相串串 联联的的电压源电压源（b）等等效效(dn xio)电电荷荷源源 Caua（a）电压源）电压源qCa（b）电荷源）电荷源 一一个个与与电电容容相相并并联联电荷源电荷源电压灵敏度电压灵敏度 电荷灵敏度电荷灵敏度 两者的关系两者的关系第三十八页，共八十二页。压电传感器的完整压电传感器的完整(wnzhng)(wnzhng)等效电路等效电路 （a a） 电压源电压源; ; （b b）

27、电荷源电荷源 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电缆电容CC，前置，前置放大器的放大器的输入电阻输入电阻Ri和和输入电容输入电容Ci以及传感器的以及传感器的绝缘绝缘(juyun)电电阻阻Ra。压电传感器完整的等效电路可表示成图所示。压电传感器完整的等效电路可表示成图所示。第三十九页，共八十二页。只有当压电传感器只有当压电传感器内部信号电荷无漏损内部信号电荷无漏损或或外接电路负载外接电路负载RL无无穷大穷大时时,压电传感器受力后产生的压电传感器受力后产生的电压电压或或电荷电荷才能长期保存才能长期保存,否否则电路将以某时间常数按指数规律放电则电路将

28、以某时间常数按指数规律放电对于对于静态、低频测量静态、低频测量极为不利极为不利(bl),必然带来误差必然带来误差只有只有外力不断以较高频率作用外力不断以较高频率作用,传感器的电荷才能得以补充传感器的电荷才能得以补充, 压电晶体不适合于静态测量压电晶体不适合于静态测量在实际使用时压电传感器总要与测量仪器或测量电路在实际使用时压电传感器总要与测量仪器或测量电路 相连接，需考虑压电传感器的泄漏电阻、连接电缆的相连接，需考虑压电传感器的泄漏电阻、连接电缆的 等效电容、前置放大器的输入电阻和输入电容等等效电容、前置放大器的输入电阻和输入电容等思考思考(sko)：压电压电晶体不适合于静晶体不适合于静态测态

29、测量？量？第四十页，共八十二页。二、二、测量测量(cling)(cling)电电路路 压压电电传传感感器器要要求求测测量量电电路路的的前前级级输输入入端端要要有有足足够够高高的的阻阻抗抗，这这样样才才能能(cinng)(cinng)防防止止电电荷荷迅迅速速泄泄漏漏而而使使测测量量误误差差变变大大。压压电电传传感器的感器的前置放大器前置放大器有两个用处：有两个用处： 一是把传感器的一是把传感器的高阻抗输出高阻抗输出变换为变换为低阻抗输出低阻抗输出； 二是把传感器的二是把传感器的微弱信号进行放大微弱信号进行放大。 传感器的传感器的内阻很大内阻很大, , 而而输出信号输出信号(xnho)(xnho)

30、较小较小, , 一般不能直接取用一般不能直接取用需要接入高输入阻抗的需要接入高输入阻抗的前置放大器前置放大器第四十一页，共八十二页。根据压电传感器等效电路可知，传感器的输出可以是根据压电传感器等效电路可知，传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷电压信号，也可以是电荷(dinh)(dinh)信号信号有相应两种形式有相应两种形式（1）电压电压放大器：放大器：也称作阻抗变换器，其输出电压也称作阻抗变换器，其输出电压 与输入电压（传感器的输出电压）与输入电压（传感器的输出电压） 成正比成正比（2）电电荷放大器：荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比其输出电压与输入电荷成正比 第四十二页，共八十二页。（

31、一）（一） 电压电压(diny)(diny)放大器放大器（1）电电路路(dinl)原理原理图图等效电阻等效电阻等效电容等效电容图6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图 等效电路等效电路放大器电路放大器电路传感器的泄漏传感器的泄漏(xilu)电阻电阻Re；连接电缆的等效电容；连接电缆的等效电容Ce；前置放大器的输入电阻；前置放大器的输入电阻Ri ；输入电容；输入电容Ci 电容器上的电压电容器上的电压 ua= q / Ca第四十三页，共八十二页。f= Fmsint（Fm为幅值）为幅值）如果如果(rgu)(rgu)压电元件沿电轴为压电元件沿电轴为正弦作用力正弦作用力变化，产生变化，产生的的电荷与电

32、压也按正弦变化，即电荷与电压也按正弦变化，即Um= dFm/Ca 压电元件输出压电元件输出(shch)电压幅值电压幅值 d压电系数压电系数等效电路等效电路放大器电路放大器电路第四十四页，共八十二页。Ui的的幅值幅值Uim为为 .等效电路等效电路放大器电路放大器电路（2）放大器）放大器输输入入(shr)端的端的电压电压Ui分析分析第四十五页，共八十二页。输入输入(shr)电压和作用力之间电压和作用力之间相位差相位差为为 Ui的的幅值幅值Uim为为 .当当作作用用于于压压电电元元件件的的力力为为静静态态力力（=0）时时， 前前置置放放大大器器的的输输出出电电压压等等于于零零， 因因为为电电荷荷(d

33、inh)会会通通过过放放大大器器输输入入电电阻阻和和传传感感器器本本身身漏漏电电阻阻漏漏掉掉， 所所以以压压电电传传感感器器不不能能用用于于静静态态力的测量力的测量。 第四十六页，共八十二页。 由上式可以看出放大器输入电压幅度与由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关被测频率无关，当改变，当改变(gibin)连接传感器与前置放大器的连接传感器与前置放大器的电缆长度电缆长度时，时，Cc将改变将改变，从，从而引起放大器的而引起放大器的输出电压也发生变化输出电压也发生变化。在设计时，通常把电缆长度。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如要定为一常数，使用时如要改变电缆长度改变电缆长度，则

34、必须，则必须重新校正电压灵敏重新校正电压灵敏度值度值。电压电压(diny)(diny)灵敏度灵敏度理理想想情情况况(qngkung)(qngkung)下下，传传感感器器的的电电阻阻值值ReRe与与前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻RiRi都为无限大，都为无限大，即即 (Ca+Ce+Ci )R1，则，则输入电压幅值输入电压幅值Uim ：第四十七页，共八十二页。结论结论(jiln)：理理想想情情况况(qngkung)下下，输输入入电电压压幅幅值值 （a）当）当/0 033时，时，时，时，Uim与与F的的无关，高频无关，高频(o pn)响应特性较好响应特性较好（c）当）当(Ca+Ce+Ci)R1，

35、改变压电传感器的引线电缆，改变压电传感器的引线电缆 长度时，其电缆电容长度时，其电缆电容Ce的变化将引起放大器的变化将引起放大器Uim的变的变 化化测量中通常测量中通常电缆长度需固定电缆长度需固定( (Ce=常数常数) )， 否则将否则将 引入测量误差引入测量误差（d）电压灵敏度）电压灵敏度Ku （b）当为静态力时）当为静态力时(=0)时，前置放大器的输出电压时，前置放大器的输出电压=0 所以所以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第四十八页，共八十二页。（二）（二） 电荷电荷(dinh)(dinh)放大器放大器为为解解决决电电缆缆分分布布电电容容对对传传感感器器灵灵敏敏度

36、度的的影影响响和和低低频频响响应应(xingyng)(xingyng)差差的缺点，可采用的缺点，可采用电荷放大器电荷放大器。 电电荷荷放放大大器器具具有有深深度度负负反反馈馈的的高高增增益益放放大大器器，常常作作为为压压电电传传感感器器的的输输入入电电路路，由由一一个个反反馈馈(fnku)电电容容Cf和和高高增增益益运运算算放大器放大器A构成。构成。由于放大器的开环增益由于放大器的开环增益A足够大，足够大，并且并且输入端阻抗输入端阻抗很高，放大器输入端很高，放大器输入端几乎几乎没有分流，运算电流没有分流，运算电流仅仅流入反馈回路流入反馈回路Cf 。图6-10 电荷放大器等效电路f第四十九页，共

37、八十二页。输入到放大器的电荷量为输入到放大器的电荷量为A: 放大器的开环增益倍数放大器的开环增益倍数输出电压输出电压 放大器输入电荷放大器输入电荷而反馈电容而反馈电容Cf上的电荷上的电荷有有 代代入入第五十页，共八十二页。当当A1，而而(1+A)CfCa+Cc+Ci时时，上上式式简简化化(jinhu)为为 q：传传感感器器电电荷荷(dinh)整理整理, 得得放大器的输出电压放大器的输出电压第五十一页，共八十二页。(a)当当A足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A无关，电荷放大器的输出无关，电荷放大器的输出 电压电压uo取决于传感器产生的电荷量取决于传感器产生的电荷量q及反馈电容及反馈电容(

38、dinrng)Cf ，与，与 电缆电容电缆电容Cc无关，改变无关，改变Cf的大小便可得到所需的电压的大小便可得到所需的电压 输出（输出（Cf =100104pF；）；） (b)传感器本身传感器本身(bnshn)的电容的电容Ca和电缆电容和电缆电容Cc将不影响电荷放大器将不影响电荷放大器 的输出，故电缆引线长度变化的输出，故电缆引线长度变化不会带来测量误差不会带来测量误差输出输出(shch)电压电压uo第五十二页，共八十二页。使用电压放大器时，测量系统对电缆电容的变化使用电压放大器时，测量系统对电缆电容的变化很敏感，连接很敏感，连接(linji)电缆长度的变化明显影响测量电缆长度的变化明显影响测

39、量系统的输出；系统的输出；使用电荷放大器时，使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响几乎可忽电缆长度变化的影响几乎可忽略不计。略不计。但与电压放大器相比，电荷放大器价格要高很多，但与电压放大器相比，电荷放大器价格要高很多，电路也较复杂，调整起来也较困难。电路也较复杂，调整起来也较困难。电压电压放大器和放大器和电电荷荷(dinh)(dinh)放大器的主要区放大器的主要区别别：第五十三页，共八十二页。【例例】如图所示电荷如图所示电荷(dinh)前置放大器电路。已知前置放大器电路。已知Ca=100pFRa=，CF=10pF。若考虑引线。若考虑引线Cc的影响，当的影响，当A0104时时要求输出信号衰减小于

40、要求输出信号衰减小于1。求：使用。求：使用90pF/m的电缆其的电缆其最大允许长度为多少最大允许长度为多少?第五十四页，共八十二页。 在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片传感器的晶片不止一片(y pin)，常常将两片或两片以上的晶片粘，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联并联和串联。（三）（三） 压电传感器的级联方式压电传感器的级联方式(fngsh)(fngsh)第五十五页，共八十二页。并联并联并联并联(bnglin)(bnglin)(bng

41、lin)(bnglin)方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的正电荷集中在两侧的电极上，传感器的正电荷集中在两侧的电极上，传感器的正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大电容量大电容量大电容量大、输出电荷输出电荷输出电荷输出电荷量大量大量大量大、时间常数也大时间常数也大时间常数也大时间常数也大，故这种传感器适用于测量，故这种传感器适用于测量，故这种传感器适用于测量，故这种传感器适用于测量缓变信号缓变信号缓变信号缓变信号及及及及电荷

42、量输出信号电荷量输出信号电荷量输出信号电荷量输出信号。( ( ( (a a a a) ) ) )并联并联并联并联+ + + +第五十六页，共八十二页。串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的器本身的器本身的器本身的电容量小电容量小电容量小电容量小、响应响应响应响应(xingyng)(xingyng)(xingyng)(xingyng)快快快快、输出电压大输出电压大输出电压大输出电压大，故这种传，故这种传，故这种传，故这种

43、传感器适用于测量以感器适用于测量以感器适用于测量以感器适用于测量以电压作输出的信号电压作输出的信号电压作输出的信号电压作输出的信号和和和和频率较高的信号频率较高的信号频率较高的信号频率较高的信号。 ( ( ( (b b b b) ) ) )串联串联串联串联+ + +第五十七页，共八十二页。v并联并联(bnglin)(bnglin)连连接接v串联串联(chunlin)(chunlin)连连接接vv（1 1 1 1）并联）并联）并联）并联(bnglin)(bnglin)(bnglin)(bnglin)：vv（2 2 2 2）串联：）串联：）串联：）串联：第五十八页，共八十二页。 压电式传感器可用于

44、力、压力、速度、加速度、振动压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动(zhndng)(zhndng)等许等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动(zhndng)(zhndng)传感器传感器等等。等等。 一、压电式测力一、压电式测力(c l)(c l)传感器传感器 压电式测力传感器是利用压电元件直压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力接实现力电转换的传感器。目前，测力电转换的传感器。目前，测力传感器已组成传感器已组成(z chn)(z chn)各种锤头型测力锤，各种锤头型测力锤，可测量动态力、准静态力和冲击力等。可测量动态力、准

45、静态力和冲击力等。压电式力传感器外形图压电式力传感器外形图第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用第五十九页，共八十二页。压电式力传感器结构压电式力传感器结构(jigu) 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.10.5mm0.5mm，外力作，外力作用用(wi l zu yn)(wi l zu yn)使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。利用其纵使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。利用其纵向压电效应，通过向压电效应，通过d d1111实现力实现力电转换。电转换。第六十页，共八十二页。 通过弹性膜、盒等，把压力收集，转换成力，再传递通过弹性膜

46、、盒等，把压力收集，转换成力，再传递(chund)(chund)给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。英晶体作压电元件。引线引线壳体壳体基座基座压电晶片压电晶片受压膜片受压膜片导电片导电片p p第六十一页，共八十二页。二、压电式加速度传感器结构二、压电式加速度传感器结构(jigu)(jigu) 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件电元件(yunjin)(yunjin)受质量块惯性力受质量块惯性力F F的作用，产生电荷。的作用，产生电荷。 q=d11F=d11

47、ma 第六十二页，共八十二页。例例1 1：在体育：在体育(ty)(ty)动态测量中的应用动态测量中的应用压电式步态压电式步态(b ti)(b ti)分析跑台分析跑台压电式纵跳训练分析压电式纵跳训练分析(fnx)(fnx)装置装置压电传感器测量双腿跳压电传感器测量双腿跳的动态力的动态力第六十三页，共八十二页。例例2 2： 压电式血压压电式血压(xuy)(xuy)传传感器感器例例3 3：指套式电子：指套式电子(dinz)(dinz)血压血压计计第六十四页，共八十二页。 测测量量时时将将心心音音(xnyn)(xnyn)传传感感器器底底座座用用橡橡皮皮膏膏与与人人体体体体表表粘粘结结，传传感感器器感感

48、受受与与人人体体体体表表相相同同频频率率的的振振动动，质质量量块块便便有有正正比比于于加加速速度度的的交交变变力力作作用用在压电晶体上，压电晶体便产生电荷。在压电晶体上，压电晶体便产生电荷。 心心音音是是一一种种生生物物机机械械振振动动现现象象(xinxing)(xinxing)，加加速速度度型型心心音音传传感感器器是是将将一一个个质质量量块块以以一一定定的的预预应应力力安安装装在在双双压压电电晶晶体体上上，压压电电晶晶体体和和导导线线都都用用导导电电胶胶粘粘结结在在底底座座上。上。 例例4 4：加速度型心音加速度型心音(xnyn)(xnyn)传感器传感器第六十五页，共八十二页。石英石英(sh

49、yng)晶振晶振v晶振一般叫做晶体谐振器，由压电效应制成的一种谐振器件，是用电损耗很小的石英晶振经精密切割磨削(m xio)并镀上电极焊上引线做成。第六十六页，共八十二页。石英石英(shyng)晶振晶振第六十七页，共八十二页。例例5 5：微重力压电晶体：微重力压电晶体(jngt)(jngt)生物传感生物传感器器 石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层的组合质石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层的组合质量。石英传感器，其表面吸附的被分析量。石英传感器，其表面吸附的被分析(fnx)物质而引起的谐物质而引起的谐振频率变化关系为：振频率变化关系为： 利用这一原理可对溶液中许多化合物，通过电极

50、上的电解利用这一原理可对溶液中许多化合物，通过电极上的电解沉淀进行沉淀进行(jnxng)测量，例如监测微生物的生长率，该方法当浓测量，例如监测微生物的生长率，该方法当浓度在范围内，有很好的线性。度在范围内，有很好的线性。第六十八页，共八十二页。例例6 6：超声诊断仪探头：超声诊断仪探头(tn tu)(tn tu) 如果换能器中压电陶瓷如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样即为超声波，这样(zhyng)的的换能器称为压电超声换能器。换能器称为压电超声换能器。超声波传感器超声波传感器第六十九页，共八十二页

51、。超声波传感器超声波传感器v压电式超声波探头主要有压电晶体和压电陶瓷压电式超声波探头主要有压电晶体和压电陶瓷(toc)，利用压电材料，利用压电材料的压电效应工作，分为发射、接收两部分的压电效应工作，分为发射、接收两部分v发射元件：利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动发射元件：利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动(zhndng)转换为机械振动转换为机械振动(zhndng)产生超声波，将电能产生超声波，将电能机械能；机械能；v接收元件：利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为接收元件：利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换为电信号，电信号， 将机械能将机械能电能。电能。第七十页，共八十二页

52、。超声波传感器超声波传感器第七十一页，共八十二页。超声波传感器超声波传感器第七十二页，共八十二页。 转动凸轮开关转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲，并压缩冲击块后的弹簧击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电元一个冲击力，便在压电元 件两端产生高压，件两端产生高压， 并从中间电极并从中间电极(dinj)5输输 出高压，产生电火出高压，产生电火 花点燃气体。花点燃气体。 压电陶瓷压电陶瓷(toc)(toc)点火器点火器

53、第七十三页，共八十二页。 转动凸轮开关转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压缩冲击，并压缩冲击块后的弹簧块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电元一个冲击力，便在压电元 件两端产生件两端产生(chnshng)高压，高压， 并从中间电极并从中间电极5输输 出高压，产生电火出高压，产生电火 花点燃气体。花点燃气体。 例例7 7：压电陶瓷：压电陶瓷(toc)(toc)点火器点火器第七十四页，共八十二页。PVDF压电传感器压电传感器

54、用于检测婴儿呼吸用于检测婴儿呼吸(hx)暂停。婴儿呼吸暂停。婴儿呼吸(hx)时由于膈肌的运动，时由于膈肌的运动，引起婴儿体重和重心的变化。而大面积传感器对这种重心的移引起婴儿体重和重心的变化。而大面积传感器对这种重心的移动十分敏感，动十分敏感， 这样根据传感这样根据传感 器的输出信号器的输出信号 可以得到关于可以得到关于 婴儿呼吸状况婴儿呼吸状况 的重要信息。的重要信息。第七十五页，共八十二页。v打火机v+v-v压电陶瓷(toc)第七十六页，共八十二页。解：解： 输出输出(shch)(shch)电荷电荷1.1.某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，

55、每片厚度t=0.2mm, ,圆片半径圆片半径r=1cm, d11=2.3110-12C/N。当。当0.1MPa0.1MPa压力垂直压力垂直(chuzh)(chuzh)作用于作用于px平面时，求传感器输出电平面时，求传感器输出电荷荷q和电极间电压和电极间电压Ua的值。的值。练习题练习题第七十七页，共八十二页。电极电极(dinj)间电压：间电压：并联并联(bnglin)总电容：总电容：第七十八页，共八十二页。A0CeUSCiRdCFRFCcq2. 2. 电荷前置放大器电路如图所示，已知电荷前置放大器电路如图所示，已知 C Ce e=100pF,=100pF,R Rd d=，C CF F=10pF,

56、=10pF,若考虑引线若考虑引线C CC C的影响，当的影响，当A A0 0=10=104 4 时，时，要求输出信号衰减小于要求输出信号衰减小于11。求使用。求使用90pF/m90pF/m的电缆的电缆(dinln)(dinln)其其最大允许长度为多少？最大允许长度为多少？第七十九页，共八十二页。解：由前置放大器输出解：由前置放大器输出(shch)电压为电压为理想理想(lxing)状态下，状态下，则实际输出则实际输出(shch)与理想输出与理想输出(shch)信号的误差信号的误差为为解出，解出，电缆最大允许长度：电缆最大允许长度：第八十页，共八十二页。系统灵敏度系数系统灵敏度系数K K输出输出(

57、shch)(shch)电压值电压值U U/ /测得加速度值测得加速度值a a3. 3. 用石英晶体用石英晶体(jngt)(jngt)加速度计测量机器的振动，已知加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为加速度计的灵敏度为2.5pC/g2.5pC/g（g g为重力加速度），电为重力加速度），电荷放大器灵敏度为荷放大器灵敏度为80mV/pC,80mV/pC,当机器达到最大加速度时，当机器达到最大加速度时，相应输出幅值电压为相应输出幅值电压为4V4V。试计算机器的振动加速度是多少。试计算机器的振动加速度是多少? ?解：解：系统灵敏度系数系统灵敏度系数(xsh)传感器灵敏度传感器灵敏度电荷放大器灵敏度电荷放大器灵敏度第八十一页，共八十二页。内容(nirng)总结第6章 压电式传感器。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。y轴方向受力的压电系数。 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与。电材料, 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。只有外力不断以较高频率作用,传感器的电荷才能得以补充, 压电晶体不适合于静态测量。电压信号，也可以是电荷信号有相应(xingyng)两种形式。图6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图。系统灵敏度系数K输出电压值U/测得加速度值a第八十二页，共八十二页。