1、第一講：基礎(chǔ)概念（下）傳感器與測量技術(shù)講師：張鵬 2015-9-20壓力傳感器專題介紹我廠壓力傳感器應(yīng)用介紹電荷式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓力傳感器周邊技術(shù)應(yīng)用介紹我廠所生產(chǎn)的大部分產(chǎn)品屬于“液壓”類產(chǎn)品，其特點(diǎn)是壓力高，變化快，此類產(chǎn)品對壓力的測量有較高的要求，準(zhǔn)確測量壓力是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障我廠壓力測量舉例高壓油泵在泵油時，高壓油泵端（泵端）產(chǎn)生的壓力變化高壓油泵在泵油時，噴油器端（器端）產(chǎn)生的壓力變化油路上濾清器的堵塞情況檢測：檢測兩端壓力差油泵試驗(yàn)臺上燃油進(jìn)油壓力檢測、滑油壓力檢測高壓共軌系統(tǒng)的軌壓檢測電荷式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷

2、的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測量最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來壓電測試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。 基本原理分析基本原理分析壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些晶體，在一定方向受到外力作用時，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是一種應(yīng)用廣泛

3、的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。天然石英晶體為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有三個晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面石英晶體切片 從晶體上沿XYZ軸線切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。當(dāng)沿著X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 q qxxxxd dxxxxF Fx x 石英切片原理分析橫向壓電

4、效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為根據(jù)石英晶體的對稱條件根據(jù)石英晶體的對稱條件dXY=dXX，所以所以 由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時，由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號表示沿產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生的電軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。荷極性是相反的。 YXYXYFbadqYXXXYFbadq石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如下圖所示。石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如下圖所示。 電荷產(chǎn)生原理 石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅

5、離子和六石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，如下個氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，如下圖所示。當(dāng)作用力為零時，正負(fù)電荷相互平衡，所以圖所示。當(dāng)作用力為零時，正負(fù)電荷相互平衡，所以外部沒有帶電現(xiàn)象外部沒有帶電現(xiàn)象, ,而受力后破壞了平衡而受力后破壞了平衡, ,就帶電了。就帶電了。 1.2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場使電疇規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，如下圖所示伸長直流電橋剩余伸長剩余極化對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向

6、為對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閆軸。當(dāng)壓電軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于Z軸的表面上軸的表面上將會出現(xiàn)電荷，下左圖將會出現(xiàn)電荷，下左圖，其電荷量其電荷量q與作用力與作用力F成正成正比，即：比，即：q= dzzF ，下右圖為：，下右圖為：+ + +- - -+ + +- - -+ + +- - -YXZXYXZYAAFdAAFdq2. 壓電元件的結(jié)構(gòu) 在在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如下圖所示。

7、圖下圖所示。圖a為并聯(lián)為并聯(lián)接法，其輸出電容接法，其輸出電容C為單片的為單片的n倍，即倍，即C=nC，U=U，Q=nQ。圖中圖中b為串聯(lián)接法，為串聯(lián)接法，這時有這時有QQ，U= nU，C=C/n。 a) b)a) b) 在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗

8、很高的場合。阻抗很高的場合。 壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時，壓電片始終受到壓力，這樣可以保證在作用力變化時，壓電片始終受到壓力，同時也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。同時也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。 3 測量電路3.1 等效電路等效電路 壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當(dāng)要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，

9、其電容量為 式中，式中，0 0為真空介電常數(shù)：為真空介電常數(shù)：為壓電材料的相對介電為壓電材料的相對介電常數(shù)；常數(shù)；h h為壓電元件的厚度；為壓電元件的厚度；A A為壓電元件極板面積。為壓電元件極板面積。 hACa0 因此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并因此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如下圖聯(lián)的電荷源，如下圖a所示，也可以等效為所示，也可以等效為個電壓個電壓源，如下圖源，如下圖b所示。所示。 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容電容C，放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci以及傳感以及傳感器的泄

10、漏電阻器的泄漏電阻Ra。QCaua=Q/Cau0Caua=Q/Caa)a)電荷源電荷源 b)b)電壓源電壓源 4. 基本測量電路壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號微弱，因此壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測量電路壓電傳感器要求測量電路的前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷的前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。壓電傳感器的前置放大迅速泄漏而使測量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻器有兩個用：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是

11、把傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。 電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實(shí)際上是一個具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。圖6.3.4是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中C，為放大器的反饋電容，其余符號的意義與電壓放大器相同。 圖圖6.3.4 6.3.4 電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路 QCaCcCiRaRiCfRfNfffifCAUACUAUCUUQ0000)1 ()()(ffaciCAUAQCAUAQCCCAU000)1 ()1 ()(faciCACCCAQU)1 (0fCQU0壓電傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等等。壓阻式壓力傳感器除