1、11第1頁/共92頁22工作原理：當把點火器的操作手柄(5)沿軸線方向推入并逆時針旋轉時，點火器內部的燃氣閥被打開，燃氣進入點火器被氣閥分成兩路，一路流向點火噴嘴，經導氣管噴出，另一路經噴嘴流入爐具，在手柄逆時針旋轉的同時，安裝于燃氣閥上的撥塊被手柄軸帶動同步轉動。撥塊上的撥爪將撞塊撥動，使撞塊在安裝槽中作直線運動，彈簧被壓縮，當手柄轉動約90度時，撥塊的撥爪自動脫開撞塊，這時，撞塊在彈簧的作用下撞擊壓電晶體，由于壓電效應，使壓電晶體兩極間產生13000伏以上的高壓。經過高壓導線(3)和放電針在放電針尖端和導氣管之間產生電火花，點燃從導氣管中噴出的燃氣。火焰在燃氣壓力的作用下沖向爐具的火頭，點

2、燃從火頭中噴出的燃氣。完成一次自動點火。當手離開手柄后，手柄全自動退回原位，將點火噴嘴這一氣路自動關掉，導氣管(2)噴出的火焰被自動熄掉。這是DDQ系列點火器的優點之一。 第2頁/共92頁3手動開關氣閥高壓線燃燒盤點火針壓電晶體氣源煤氣灶電子點火器第3頁/共92頁44第4頁/共92頁55BGl、R1和變壓器B1的繞組L1、L2構成自激式振蕩器，R1是BGl的基極限流電阻，在Bl的次級L3上得到約30伏的交流電壓，經D1整流后給C2充電，同時又經R2向c1充電，當c1上的電壓大于T1的導通電壓時，可控硅T2導通，使C2上的電壓迅速通過T2和B2初級放電，在B2的次級L2上產生約1萬伏的高壓。圖4

3、是印刷線路板圖。 第5頁/共92頁66緒論 壓電傳感器是一種典型的發電型傳感器，以壓電傳感器是一種典型的發電型傳感器，以壓電材料壓電材料(晶體晶體)的的壓電效應壓電效應為基礎，在外力作用為基礎，在外力作用下在晶體表面產生電荷，從而實現非電量測量，下在晶體表面產生電荷，從而實現非電量測量，壓電式傳感器可以對各種動態力、機械沖擊和振壓電式傳感器可以對各種動態力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫學、力學、導航方面都動進行測量，在聲學、醫學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。得到廣泛的應用。壓電加速度傳感器動態壓力傳感器壓電器件壓電器件受力、表面形變受力、表面形變電荷電荷第6頁/共92頁77正壓電效應

4、：正壓電效應：某些晶體或多晶陶瓷，當沿著某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向一定方向對其施力而使它變形時，內部對其施力而使它變形時，內部就產生極化現象，同時在就產生極化現象，同時在某兩個表面上某兩個表面上產生電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶產生電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態；當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。晶體受力所產生的電荷量與電狀態；當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比，這種現象稱為壓電效應，習慣上稱為正壓電效應。外力的大小成正比，這種現象稱為壓電效應，習慣上稱為正壓電效應。1.概念：壓電效應概念：壓電效應第7頁/共92頁886

5、.1 壓電效應逆壓電效應逆壓電效應：當在晶體的一定方向上施加電場，晶體本身產生機械變形或機械壓力，當在晶體的一定方向上施加電場，晶體本身產生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現象。（電致伸縮效應）當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現象。（電致伸縮效應）正壓電效應正壓電效應電能電能機械能機械能逆壓電效應逆壓電效應壓電效應具有壓電效應具有“雙向性雙向性”壓電傳感器壓電傳感器-“雙向雙向”有源傳感器有源傳感器第8頁/共92頁996.1 壓電效應石英晶體的壓電效應演示石英晶體的壓電效應演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變；當力的方向改變時，電荷的極性隨之改

6、變；輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同。輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同。當力作用在晶片時，在當力作用在晶片時，在上下表面產生電荷。上下表面產生電荷。隨著作用力的減小，積隨著作用力的減小，積累電荷數減少。累電荷數減少。當動態力變為靜態力時，當動態力變為靜態力時，電荷將由于表面漏電而電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。很快泄漏、消失。第9頁/共92頁10106.1 6.1 壓電效應壓電效應壓電效應能量轉換的幾種基本形式厚度受壓型長度受壓型第10頁/共92頁11111 1 壓電效應壓電效應厚度切變型平面切變型厚度切變型體積受壓型第11頁/共92頁12121 壓電效應石英晶體石英晶體( (單晶體單晶體

7、) )ZYX縱向軸縱向軸Z稱為稱為光軸光軸經過正六面體棱線，并經過正六面體棱線，并垂直于光軸的垂直于光軸的X軸稱為軸稱為電軸電軸。與與X軸和軸和Z軸同時軸同時垂直的垂直的Y軸（垂直軸（垂直于正六面體的棱面）于正六面體的棱面）稱為稱為機械軸機械軸。ZXY 石英晶體屬于單晶體，化學式石英晶體屬于單晶體，化學式為為SiO2,外形結構呈棱柱正六面體外形結構呈棱柱正六面體,沿各方向特征不同。沿各方向特征不同。1.1 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應第12頁/共92頁13n光軸（基準軸，光軸（基準軸，Z軸）軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現象，該方向沒有壓電效應。：光沿該方向通過沒有雙折射現象，該方向沒

8、有壓電效應。n電軸（電軸（X軸）軸）：經過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應最顯著。：經過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應最顯著。n機械軸（機械軸（Y軸）軸）：垂直：垂直XZ面，在電場作用下，該軸方向的機械變形最大。面，在電場作用下，該軸方向的機械變形最大。第13頁/共92頁14146.1 6.1 壓電效應壓電效應天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形1.1 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應第14頁/共92頁15151 1 壓電效應壓電效應天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形第15頁/共92頁16166.1 6.1 壓電效應壓電效應石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石

9、英晶體薄片石英晶體薄片第16頁/共92頁176.1 6.1 壓電效應壓電效應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第17頁/共92頁18186.1 6.1 壓電效應壓電效應石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振）晶振晶振 石英晶體在振蕩電路中工作時，石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩定的振蕩輸出頻率。從而產生穩定的振蕩輸出頻率。第18頁/共92頁19196.1 壓電效應縱向壓電效應縱向壓電效應沿沿X方向方向(電軸電軸)施加施加正應力正應力時，在垂時，在垂直于直于X軸方向產生電荷。軸方向產生電荷。橫向壓電效應橫向壓

10、電效應沿沿Y方向方向施加正應力時，在垂直于施加正應力時，在垂直于X軸方向產生電荷。軸方向產生電荷。 沿沿Z方向的方向的(光軸光軸)的力作用的力作用時不產生壓電效應。時不產生壓電效應。壓電式傳感器主要是壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應利用縱向壓電效應。第19頁/共92頁2020代表Si4+代表O2-六方晶系，每個晶體單元中有三個硅離子和六個氧離子，在Z平面上的投影等效為正六邊形排列第20頁/共92頁21216.1 壓電效應電偶極矩p=ql, q為電荷量, l為正負電荷之間距離，矢量方向從負電荷指向正電荷。第21頁/共92頁22226.1 壓電效應0321ppp正、負離子正好分布在正正、負離子正

11、好分布在正六邊形的頂角上六邊形的頂角上, 形成三個形成三個互成互成120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩p1、 p2、p3。此時正負電。此時正負電荷重心重合荷重心重合, 電偶極矩的矢電偶極矩的矢量和等于零量和等于零, 即即p1+p2+p3 = 0, 所以晶體表面不產生電所以晶體表面不產生電荷荷, 即呈中性。即呈中性。a）石英晶體未受外力作用第22頁/共92頁23236.1 壓電效應b）受到）受到X方向的壓力方向的壓力縱向壓電效應縱向壓電效應晶體沿晶體沿X方向將產生壓縮變形方向將產生壓縮變形, 正負離子的相對位置正負離子的相對位置也隨之變動。也隨之變動。 此時正負電荷重心不再重合。此時正負電荷重心不

12、再重合。電偶極矩在電偶極矩在X方向上的分量由于方向上的分量由于p1的減小和的減小和p2、p3的增加而大于零的增加而大于零, 在在X軸的正方向出現正電荷軸的正方向出現正電荷, 電偶極電偶極矩在矩在Y、Z方向上的分量仍為零方向上的分量仍為零, 不出現電荷。不出現電荷。當作用力方向相反時當作用力方向相反時, 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。0321ppp第23頁/共92頁24246.1 壓電效應c）受到）受到Y方向的壓力方向的壓力橫向壓電效應橫向壓電效應當晶體受到沿當晶體受到沿Y軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時, p1增大增大, p2、p3 減小。減小。 在垂直在垂直X軸表面上出現電

13、荷軸表面上出現電荷, 它的極性為它的極性為X軸正軸正向為負電荷。向為負電荷。 在在Y軸方向上不出現電荷。軸方向上不出現電荷。當作用力方向相反時當作用力方向相反時, 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 0321ppp第24頁/共92頁25256.1 壓電效應d）受到）受到Z方向的力方向的力沒有壓電效應產生沒有壓電效應產生如果沿如果沿Z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, 因因為晶體在為晶體在X方向和方向和Y方向所產方向所產生的形變完全相同生的形變完全相同, 所以正負所以正負電荷重心保持重合電荷重心保持重合, 電偶極矩電偶極矩矢量和等于零。這表明沿矢量和等于零。這表明沿Z軸軸方向施加作用力

14、方向施加作用力, 晶體不會產晶體不會產生壓電效應生壓電效應。 0321ppp第25頁/共92頁26266.1 壓電效應第26頁/共92頁27276.1 6.1 壓電效應壓電效應u X軸向受力：軸向受力：u Y軸向受力：軸向受力：u Z軸向受力：軸向受力：無無11xxqdf1211yyyaaqdfdfbb 第27頁/共92頁28壓電方程：壓電效應可用壓電方程來表示：Q=dFd-一定方向的力，在相應表面產生電荷的系數，通用方程：i=1、2、3，表示晶體的極化方向電荷面的軸向即產生電荷的表面垂直xyzj=1、2、3施加力的方向，表示沿xyz軸方向的作用的單向應力，拉為正j=4、5、6施加力的方向，表

15、示垂直xyz軸的平面內作用的剪切力xyz123456jijidq第28頁/共92頁29654321363534333231262524232221161514131211321ddddddddddddddddddqqq .Dq 0,03iq壓電常數矩陣石英晶體的壓電常數矩陣沿Z軸方向施加單向應力時，在任何面上都不會產生電荷無論在哪個方向受力，都不會在垂直Z軸平面上產生電荷 qD.103id03jd在沿x、y軸方向加單向應力時，在垂直y軸平面上不會產生電荷同理可以分析剪切力的情況第29頁/共92頁30306.1 壓電效應電荷符號與受力方向的關系結論：結論： 無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變

16、）與電荷（或電場強度）無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關系；之間呈線性關系； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；在逆壓電效應； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。根據石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。根據d dijij大小，可以確定在哪個方向上壓電效應最顯著大小，可以確定在哪個方向上壓電效應最顯著 第30頁/共92頁3131第31頁/共92頁32321 壓電效應1.2 壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是人工合成的，經過極化處理后的多晶鐵電體。壓電陶瓷是人工合

17、成的，經過極化處理后的多晶鐵電體。燒制后的原始陶瓷分子自發形成的區域，分子自發形成的區域，有一定的極性，存在有一定的極性，存在一定電場一定電場電疇在一定溫度下施加強直流電場，迫使電疇趨向在一定溫度下施加強直流電場，迫使電疇趨向外電場方向做規則排列，電場去掉后，趨向電外電場方向做規則排列，電場去掉后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化，呈現疇基本保持不變，形成很強的剩余極化，呈現出壓電特性出壓電特性第32頁/共92頁33336.1 壓電效應n壓電陶瓷與石英晶體不同，前者是人工制造的多晶壓電陶瓷與石英晶體不同，前者是人工制造的多晶體壓電材料，而后者是單晶體。體壓電材料，而后者是單晶體。n材料

18、內部的晶粒有許多自發極化的材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇電疇，它有一定它有一定的極化方向。壓電陶瓷在未進行極化處理時，電疇的極化方向。壓電陶瓷在未進行極化處理時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質，不具有壓電效應；瓷呈中性，不具有壓電性質，不具有壓電效應；n經過強電場極化處理后，它的經過強電場極化處理后，它的壓電效應非常明顯壓電效應非常明顯，具有很高的壓電系數，為石英晶體的幾百倍。具有很高的壓電系數，為石英晶體的幾百倍。第

19、33頁/共92頁34346.1 壓電效應第34頁/共92頁35356.1 壓電效應33qd第35頁/共92頁36366.2 壓電材料鈦酸鋇毛坯和晶體鈦酸鋇毛坯和晶體第36頁/共92頁37372 壓電材料 選用合適的壓電材料是設計、制作高性能傳感器的關選用合適的壓電材料是設計、制作高性能傳感器的關鍵。一般應考慮：鍵。一般應考慮： 轉換性能：轉換性能：要求具有較大壓電常數。要求具有較大壓電常數。 機械性能：機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。頻率。 電

20、性能：電性能：希望具有高電阻率和大介電常數，以減弱外希望具有高電阻率和大介電常數，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環境適應性強：環境適應性強：溫度和濕度穩定性要好，要求具有較溫度和濕度穩定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩定性：時間穩定性： 要求壓電性能不隨時間變化。要求壓電性能不隨時間變化。 2.1 壓電材料的選取第37頁/共92頁38386.2 壓電材料在幾百攝氏度的溫度范圍內，其介電常數和壓電系在幾百攝氏度的溫度范圍內，其介電常數和壓電系數幾乎不隨溫度而變化。但是當溫度升

21、高到數幾乎不隨溫度而變化。但是當溫度升高到573時，時，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點居里點。石英晶體的突出優點是性能非常穩定，它有很大的石英晶體的突出優點是性能非常穩定，它有很大的機械強度和穩定的機械性能。但石英材料價格昂貴，機械強度和穩定的機械性能。但石英材料價格昂貴，且壓電系數比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標且壓電系數比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。準儀器或要求較高的傳感器中。第38頁/共92頁39396.2 壓電材料 石英晶體有天然和人工培養兩種類型。人工培石英晶體有天然和人工培養兩種類型。人工培養的石

22、英晶體的物理和化學性質幾乎與天然石英晶養的石英晶體的物理和化學性質幾乎與天然石英晶體沒有區別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石體沒有區別，因此目前廣泛應用成本較低的人造石英晶體。英晶體。 因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質（如彈性、壓電效應、方向切割的晶片，其物理性質（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。在設計石英傳感器時，應溫度特性等）相差很大。在設計石英傳感器時，應根據不同使用要求正確地選擇石英片的切型。根據不同使用要求正確地選擇石英片的切型。第39頁/共92頁40406.2 壓電材料壓電陶瓷主要有以下幾種：壓電陶

23、瓷主要有以下幾種：1) 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦）和二氧化鈦（TiO2）按）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數和較大的壓電系數（約為石英它具有很高的介電常數和較大的壓電系數（約為石英晶體的晶體的50倍）。不足之處是倍）。不足之處是居里點溫度低居里點溫度低（120），），溫度穩定性和機械強度不如石英晶體。溫度穩定性和機械強度不如石英晶體。第40頁/共92頁41416.2 壓電材料鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb

24、（ZrTi）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數更大，居。它與鈦酸鋇相比，壓電系數更大，居里點溫度在里點溫度在300以上，各項機電參數受溫度影響以上，各項機電參數受溫度影響小，時間穩定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或小，時間穩定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。料。第41頁/共92頁42426.2 壓電材料壓電半導體材料有壓電半導體材料有Z

25、nO、CdS 、ZnS 、CdTe等，這等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優點。此外種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優點。此外用用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數。溫度等參數。第42頁/共92頁43436.2 壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經延展拉伸和電場極化后，某些合成高分子聚合物薄膜經延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯

26、PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產和制成較大的面積。可以大量生產和制成較大的面積。第43頁/共92頁6.3 等效電路3 等效電路等效電路壓電式傳感器等效電路 當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器視為兩極板上聚集異性電荷，中間荷。可把壓電傳感器視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的為絕緣體的電容器電容器。

27、電容量為電容量為 ：SSCra0故可把壓電傳感器故可把壓電傳感器看成一個電荷源與看成一個電荷源與一個電容并聯的電一個電容并聯的電荷發生器。荷發生器。第44頁/共92頁6.3 等效電路aQUC因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源U和一個電容和一個電容器器Ca的串聯電路，如圖的串聯電路，如圖 (c)。第45頁/共92頁46466.3 等效電路如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮則應考慮連線的等效電容連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiQ壓電傳感器的壓電傳

28、感器的完整等效電路完整等效電路Ca 傳感器的固有電容傳感器的固有電容Ra 傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻Cc 連線等效電容連線等效電容Ci 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容Ri 前置放大器輸入電阻前置放大器輸入電阻測量儀器前置放大傳感器壓電傳感器壓電傳感器簡單測量系統簡單測量系統第46頁/共92頁47476.3 等效電路UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)實際電壓源等效電路 CaRaCcRiCiQ實際電荷源等效電路 壓電片本身的內阻很高，輸出能量小，需接高輸入阻抗的前置放大器 。第47頁/共92頁48486.3 等效電路（1）壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：壓電式傳

29、感器的前置放大器有兩個作用： 把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出；把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出； 放大壓電式傳感器輸出的弱信號。放大壓電式傳感器輸出的弱信號。（2）前置放大器形式：前置放大器形式： 電荷放大器：電荷放大器：把壓電元件高內阻的電荷源變為傳把壓電元件高內阻的電荷源變為傳感器低內阻的電壓源，使其輸出電壓與輸入電荷成感器低內阻的電壓源，使其輸出電壓與輸入電荷成正比；正比； 電壓放大器電壓放大器: :其輸出電壓與輸入電壓（傳感器其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；輸出電壓靈敏度受分布電的輸出電壓）成正比；輸出電壓靈敏度受分布電容的影響；容的影響；第48頁

30、/共92頁4949放大器輸入端等效電路6.4 測量電路測量電路第49頁/共92頁5050aiaiR RRRR1、電壓放大器、電壓放大器aciCCCCtFFmsintFdFdqmsin3333ACQuiuRACaRaCcRiCiQitFddtdqimcos33FdjI33CjRIUi1/第50頁/共92頁5151aiaiR RRRR1、電壓放大器、電壓放大器aciCCCCtFFmsintFdFdqmsin3333Ui的幅值的幅值233)(1RCRFdUmim相相 位位)arctan(2RCRCjRjFdUi133ACQuiuRACaRaCcRiCiQi第51頁/共92頁52526.4 測量電路U

31、i的幅值的幅值.(*)(1233RCRFdUmim =0，作用在壓電元件上的力是靜態力，則，作用在壓電元件上的力是靜態力，則Uim=0理想情況下，理想情況下，R為無限大，為無限大， 因而因而放大器輸入電壓幅值為：放大器輸入電壓幅值為：CFdUmm331RC說明：理想的情況下前置放大器輸入電壓與頻率無關說明：理想的情況下前置放大器輸入電壓與頻率無關什么情況？什么情況？第52頁/共92頁5353 令令=RC，為測量回路的時間常數，并令為測量回路的時間常數，并令1=1/，則可得，則可得:2112)(1)(1RCRCUUmim1arctan200901.0UimUm0.512341/電壓幅值比和相角與

32、頻率比的關系曲線第53頁/共92頁6.4 測量電路討論：討論：u 壓電傳感器不能測量靜態物理量；壓電傳感器不能測量靜態物理量；u 當當/13時輸入與信號頻率無關，高頻響應特性時輸入與信號頻率無關，高頻響應特性好，好，優點優點；u 提高低頻響應的辦法是增大提高低頻響應的辦法是增大，但不能靠增加輸入，但不能靠增加輸入電容電容Ca，因為電壓靈敏度與電容成反比。實際是增，因為電壓靈敏度與電容成反比。實際是增大前置輸入回路電阻大前置輸入回路電阻Ri。第54頁/共92頁55556.4 測量電路00901.0UimUm0.512341/ =0時， Uim=0。壓電傳感器不能測量壓電傳感器不能測量靜態物理量靜

33、態物理量分析： / 1 3時， Uim/Um1。運算放大器輸運算放大器輸入電壓與信號頻率無關。入電壓與信號頻率無關。當當1一定時，壓電傳感器具有很好的高頻一定時，壓電傳感器具有很好的高頻響應特性。響應特性。擴大低頻響應范圍，就必須提高測量回路的時間常數當被測量是緩慢變化的動態量，而測量回路又不大時，會造成傳感器 的靈敏度下降，怎么辦？問題：答案：=RC，第55頁/共92頁56566.4 測量電路u增大增大R，R=Ra+Ri Ra-傳感器本身的絕緣電阻，很大（取決于材料）傳感器本身的絕緣電阻，很大（取決于材料） Ri-運放的輸入電阻運放的輸入電阻u增加輸入電容增加輸入電容C， 將導致電壓靈敏度的

34、下降。將導致電壓靈敏度的下降。u實際是增大前置輸入回路電阻實際是增大前置輸入回路電阻Ri。=RC，提高低頻響應的辦法是增大測量回路的提高低頻響應的辦法是增大測量回路的第56頁/共92頁57576.4 6.4 測量電路測量電路傳感器電壓靈敏度傳感器電壓靈敏度: :2233233)(1)(1CRdRCRdFUkmimu當當R1時，時，aicuCCCdCdk3333電纜電容傳感器的固有電容放大器的輸入電容第57頁/共92頁6.4 測量電路討論：討論：u 壓電傳感器不能測量靜態物理量；壓電傳感器不能測量靜態物理量；u 當當/13時輸入與信號頻率無關，高頻響應特性時輸入與信號頻率無關，高頻響應特性好，好

35、，優點優點；u 提高低頻響應的辦法是增大提高低頻響應的辦法是增大，但不能靠增加輸入，但不能靠增加輸入電容電容Ca,因為電壓靈敏度與電容成反比。實際是增大因為電壓靈敏度與電容成反比。實際是增大前置輸入回路電阻前置輸入回路電阻Ri。u 從傳感器電壓靈敏度從傳感器電壓靈敏度ku可見，連接電纜的分布電可見，連接電纜的分布電容容Cc影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感，這是電壓新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的放大器的缺點缺點。第58頁/共92頁59596.4 測量電路說明：說明：u當被測信號頻率足夠大時

36、，電壓放大器輸入電當被測信號頻率足夠大時，電壓放大器輸入電壓與信號頻率無關，即傳感器電壓靈敏度系數與壓與信號頻率無關，即傳感器電壓靈敏度系數與頻率無關。頻率無關。u壓電式傳感器具有很好的高頻響應特性。壓電式傳感器具有很好的高頻響應特性。u從傳感器電壓靈敏度從傳感器電壓靈敏度ku可見，連接電纜的分布可見，連接電纜的分布電容電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感，求重新標定，測量系統對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的這是電壓放大器的缺點缺點。第59頁/共92頁60606.4 測量電路foCQU2 電荷放大器電荷放

37、大器第60頁/共92頁61616.4 測量電路(1)ffCK C iacifoiQUCCCCUK U (1)oacifK QUCCCK C0fCfQUUC2 電荷放大器電荷放大器第61頁/共92頁62626.4 測量電路QiU0UfCA fU)(aiU0UfCACQ )(b 基本電路（基本電路（ A無限大、無限大、Ri無限大的理想放大器）無限大的理想放大器）ffiifiCQUUAAUUAUUUUU 00000分壓分壓 系統的實際等效電系統的實際等效電路分析（路分析（ A有限大、有限大、C= =Cc + + Ca + + Ci ） fCfifffiCiififiQQQCAUUCQCUQAUUUU

38、AUUUUU)1(1000 fffffiCUAACCCUCACAUCACUQ00011)1()1( 時：時：11;1AACCfA為運放的開環為運放的開環增益，一般為增益，一般為10104 410106 6。結果與結果與C無關。無關。第62頁/共92頁63636.4 測量電路討論：討論：u 電荷放大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓UO只取決于輸入電荷只取決于輸入電荷Q和反饋電容和反饋電容Cf，輸出電壓與，輸出電壓與電纜電容電纜電容Cc無關，且與無關，且與Q成正比，這是電荷放大器的突出優點。考慮不同量成正比，這是電荷放大器的突出優點。考慮不同量程因素程因素Cf的容量做成可以選擇的電容，一般為的容量

39、做成可以選擇的電容，一般為100104pF。u 缺點是電路復雜，價格昂貴。使用電荷放大器，電纜長度變化影響可忽缺點是電路復雜，價格昂貴。使用電荷放大器，電纜長度變化影響可忽略，并且允許使用長電纜工作。略，并且允許使用長電纜工作。0fCfQUUC第63頁/共92頁64645 壓電式傳感器的應用舉例5 壓電式傳感器的應用舉例p 壓電元件的連接壓電元件的連接 單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度， 在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷數量大小都與單片時相同。第64頁/共92頁656

40、55 壓電式傳感器的應用舉例 圖a）從電路上看，這是并聯接法， 類似兩個電容的并聯。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。 圖b）從電路上看是串聯的，兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、 下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。 CFdUmm33第65頁/共92頁66665 壓電式傳感器的應用舉例u 并聯接法，輸出電荷大，時間常數大，宜用于并聯接法，輸出電荷大，時間常數大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。合。u 串聯接法，輸出電壓大，本身電容小，適用

41、于串聯接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。場合。第66頁/共92頁壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 壓電式壓力傳感器特性壓電式壓力傳感器特性 1 1、壓電式力傳感器、壓電式力傳感器傳感器上蓋為傳力元件傳感器上蓋為傳力元件, , 當外力作當外力作用時用時, , 它將產生彈性變形它將產生彈性變形, , 將力傳將力傳遞到石英晶片上。遞到石英晶片上。6.5 壓電式傳感器的應用舉例第67頁/共92頁壓力P作用膜片，壓電元件表面產生電荷6.5 壓電式傳感器的應用舉例第68頁/共92頁1）行駛中稱重）行駛中稱重 ：

42、在美國、巴西、德國、日本和韓在美國、巴西、德國、日本和韓國有大量應用，我國也逐漸開始應用，其主要用國有大量應用，我國也逐漸開始應用，其主要用途是途是高速公路高速公路車輛超重超載監測的預選和橋梁超車輛超重超載監測的預選和橋梁超載警告系統，即判斷正在高速行駛中的車輛，尤載警告系統，即判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統拍下其是駛過橋梁的車輛是否超載，由視頻系統拍下車牌號記錄在案，并根據超載量罰款。車牌號記錄在案，并根據超載量罰款。 6.5 壓電式傳感器的應用舉例第69頁/共92頁2）壓電式周界報警系統）壓電式周界報警系統（用于重要位置出入口、（用于重要位置出入口、周界

43、安全防護等）周界安全防護等） 將長的壓電電纜埋在泥土將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內探測，可在幾十米范圍內探測人的步行人的步行, 對輪式或履帶式對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理車輛也可以通過信號處理系統分辨出來。右圖為測系統分辨出來。右圖為測量系統的輸出波形。量系統的輸出波形。6.5 壓電式傳感器的應用舉例第70頁/共92頁6.5 6.5 壓電式傳感器的應用舉例壓電式傳感器的應用舉例第71頁/共92頁6.5 6.5 壓電式傳感器的應用舉例壓電式傳感器的應用舉例3) 交通監測交通監測 將高分子壓電

44、電纜將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸車型分類信息（包括軸數、軸距、輪距、單雙數、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收輪胎）、車速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、費站地磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數停車區域監控、交通數據信息采集（道路監控）據信息采集（道路監控）及機場滑行道等。及機場滑行道等。第72頁/共92頁6.5 6.5 壓電式傳感器的應用舉例壓電式傳感器的應用舉例 將兩根高分子壓將兩根高分子壓電電纜相距若干米，電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路平行埋設于柏油公路的路面下約的路面下約5cm5cm，可，可以用來測量車速及汽以用來測量車速及汽車的

45、載重量，并根據車的載重量，并根據存儲在計算機內部的存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車檔案數據，判定汽車的車型。的車型。 高分子壓電電纜的應用演示高分子壓電電纜的應用演示第73頁/共92頁6.5 6.5 壓電式傳感器的應用舉例壓電式傳感器的應用舉例第74頁/共92頁6.5 壓電式傳感器的應用舉例壓電傳感器位于車刀前部的下方壓電傳感器位于車刀前部的下方, , 當進行切削加當進行切削加工工時時, , 切削力通過刀具傳給壓電傳感器切削力通過刀具傳給壓電傳感器, , 壓電傳感壓電傳感器器將切削力轉換為電信號輸出將切削力轉換為電信號輸出, , 記錄下電信號的變記錄下電信號的變化化便測得切削力的變化。便測

46、得切削力的變化。 4 4）壓電式動態力傳感器在車床中用于動態切削力的測量）壓電式動態力傳感器在車床中用于動態切削力的測量 第75頁/共92頁6.5 6.5 壓電式傳感器的應用舉例壓電式傳感器的應用舉例第76頁/共92頁6.5 壓電式傳感器的應用舉例第77頁/共92頁6.5 壓電式傳感器的應用舉例5）壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應）壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用用壓電式步態分析跑臺壓電式步態分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿壓電傳感器測量雙腿跳的動態力跳的動態力第78頁/共92頁6.5 壓電式傳感器的應用舉例Fma壓電式加速度傳感器具有良好的頻率特性，量程大，結構簡壓電式加速度傳感器具有良好的頻率特性，量程大，結構簡單，使用方便。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、單，使用方便。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。 當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時, , 壓電元件受質量塊慣性力