1、第二章 壓電式和壓磁式傳感器1 壓電式傳感器的工作原理2 等效電路及信號變換電路3 壓電式加速度傳感器4 壓電式測力傳感器5 壓磁式傳感器下一頁返 回1 壓電式傳感器的工作原理n電勢型傳感器 以壓電效應為基礎壓電效應可逆 “雙向傳感器”n正壓電效應 某些物質在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發生改變時，其表面上會產生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態，這種現象就稱為正壓電效應。 ( 加力 變形 產生電荷)上一頁下一頁返 回n逆壓電效應 在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現象，壓電材料的這種現象稱為“電致伸縮效應”，也叫

2、做“逆壓電效應”。(施加電場 電介質產生變形 應力 ) 常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。 1. 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應X軸：電軸或軸：電軸或1軸；軸；Y軸：機械軸或軸：機械軸或2軸；軸；Z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸。 “縱向壓電效應縱向壓電效應”：沿電軸（：沿電軸（X軸）方向的力作用下產生電荷軸）方向的力作用下產生電荷“橫向壓電效應橫向壓電效應”：沿機械軸（：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產生電荷軸）方向的力作用下產生電荷在光軸（在光軸（Z軸）方向時則不產生壓電效應。軸）方向時則不產生壓電效應。上一頁下一頁返 回晶體切片 n當沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的

3、平面上產生電荷 xxFdQ11d11壓電系數（壓電系數（C/N） yyxFbadFbadQ1112作用力是沿著機械軸方向作用力是沿著機械軸方向電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直的平面軸垂直的平面上一頁下一頁返 回1112dd此時，此時，切片上電荷的符號與受力方向的關系 圖（圖（a）是在）是在X軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（b）是在）是在X軸方向受拉力，軸方向受拉力，圖（圖（c）是在）是在Y軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（d）是在）是在Y軸方向受拉力。軸方向受拉力。上一頁下一頁返 回石英晶體的壓電效應 （a）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現象。）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電

4、現象。（b）在）在X軸方向壓縮，表面軸方向壓縮，表面A上呈現負電荷、上呈現負電荷、B表面呈現正電荷。表面呈現正電荷。（c）沿）沿Y軸方向壓縮，在軸方向壓縮，在A和和B表面上分別呈現正電荷和負電荷表面上分別呈現正電荷和負電荷 上一頁下一頁返 回石英晶體一種天然晶體，壓電系數d112.311012C/N；莫氏硬度為7、熔點為1750、膨脹系數僅為鋼的1/30。優點：轉換效率和轉換精度高、線性范圍寬、重復性好、固有頻率高、動態特性好、工作溫度高達550（壓電系數不隨溫度而改變）、工作濕度高達100%、穩定性好。上一頁下一頁返 回2. 壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應n人工制造的多晶體，壓電機理與

5、壓電晶體不同。 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化上一頁下一頁返 回陶瓷片極化 壓電陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖壓電陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符合相反而數值相等，自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符合相反而數值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外的作用，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現極性。因此陶瓷片對外不表現極性。 上一頁下一頁返 回壓電陶瓷的正壓電效應 n壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產生壓縮變形，原來吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現放電現象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀

6、，片內的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現充電現象。 放電電荷的多少與外力的大小成比例關系放電電荷的多少與外力的大小成比例關系 FdQ33上一頁下一頁返 回 Q 電荷量；d33 壓電陶瓷的壓電系數； F 作用力。 FdQ33常見壓電陶瓷 ：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數和介電常數，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數較高，各項機電參數隨溫度、時間等外界條件的 變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以 獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3

7、-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續工 作，可作為高溫下的力傳感器。上一頁下一頁返 回2 等效電路及信號變換電路n1. 壓電元件的等效電路n2. 壓電式傳感器的信號調節電路上一頁下一頁返 回1. 壓電元件的等效電路hshsCra0aCQU 上一頁下一頁返 回壓電式傳感器的等效電路 (a)等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q與一個電容與一個電容Ca并聯的電路并聯的電路 (b) 等效成一個電源等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容和一個電容Ca的串聯電路的串聯電路 上一頁下一頁返 回兩個壓電片的聯結方式 （a） “并聯并聯”，Q=2Q，U=U，

8、C=2C并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，并聯接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，（b） “串聯串聯” Q=Q，U=2U，C=C/2而串聯接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。上一頁下一頁返 回2. 壓電式傳感器的信號調節電路壓電式傳感器的信號調節電路壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數值，才能使測量誤差小到一定數值以內。因此常先接入一個高輸入阻

9、抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。測量電路關鍵在高阻抗的前置放大器。 前置放大器兩個作用:把壓電式傳感器的微弱信號放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。上一頁下一頁返 回壓電傳感器的工作原理演示壓電傳感器的工作原理演示n壓電式傳感器是一種典型的自發電式傳感器自發電式傳感器。它以某些電介質（例如石英晶體或壓電陶瓷、高分子材料）的壓電效應為基礎而工作的。在在外力作用下，在電介質表面產生電荷外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態力、動態壓力、振動加速度等。 n在晶體的彈性限度內，壓

10、電材料受力后，其表面產生的電荷Q與所施加的力F成正比。當施加的是正向壓力時（圖中從上到下的力），上當施加的是正向壓力時（圖中從上到下的力），上下表面產生上正下負的電荷。當力消失時，壓電材料反彈，產生上負下表面產生上正下負的電荷。當力消失時，壓電材料反彈，產生上負下正的電荷。下正的電荷。 n由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量。圖中當力恒定地施加在壓電材料當力恒定地施加在壓電材料上時，電荷逐漸消失，這表示明壓電材料不能用于測

11、量物體重量之類上時，電荷逐漸消失，這表示明壓電材料不能用于測量物體重量之類的物理量。的物理量。（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容：放大器的輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC上一頁下一頁返 回前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件的力壓電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數為壓電元件的壓電系數為d11，產生的電荷為，產生的電荷為Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdU

12、i111。2211)()(1icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 當作用力是靜態力（當作用力是靜態力（=0） 時，前置放大器的輸入電壓為零。時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態物理量。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態物理量。壓電式傳感器突出優點：高頻響應相當好。壓電式傳感器突出優點：高頻響應相當好。 上一頁下一頁返 回傳感器的低頻響應范圍 n如果被測物理量是緩慢變化的動態量，而測量回路的時間常數又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳感器的低頻響應范圍，就必須盡量提高回路的時間常數。n但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數，因為

13、傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數就越大，傳感器的低頻響應也就越好。上一頁下一頁返 回電壓放大器應用限制n壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。n電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應用。上一頁下一頁返 回解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感

14、器中，組成一體化傳感器。上一頁下一頁返 回壓電式加速度傳感器 n壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯連接的石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補了石英晶體靈敏度低的缺陷。 （2）電荷放大器）電荷放大器壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達10101012，輸出阻抗小于100。使用電荷放大器突出的一個優點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關。上一頁下

15、一頁返 回壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 K是放大器的開環增益，（是放大器的開環增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近若開環增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地地”電位。電位。 上一頁下一頁返 回充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0幾點結論：幾點結論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關，、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關， 而與放大器的放大系數的變化或電纜電容等均無關系，而與放大器的放大系數的變化或

16、電纜電容等均無關系，2、只要保持反饋電容的數值不變，就可得到與電荷量、只要保持反饋電容的數值不變，就可得到與電荷量Q變化成變化成 線形關系的輸出電壓。線形關系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf小，輸出就大，小，輸出就大，4、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當的反饋電容。、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當的反饋電容。5、輸出電壓與電纜電容無關條件：、輸出電壓與電纜電容無關條件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）上一頁下一頁返 回3.3 壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結構壓縮式壓電加速度傳感器結構上一頁下一頁返 回測量原理當傳感器感受振動時，質量塊感受與傳感器基座

17、相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應，兩個表面上就產生交變電荷，當振動頻率遠低于傳感器的固有頻率時，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測量儀器測出試件的加速度，如在放大器中加進適當的積分電路，就可以測出試件的振動速度或位移。上一頁下一頁返 回3.4 壓電式測力傳感器 壓電元件是直接把力轉換為電荷的傳感器。n變形方式：利用縱向壓電效應的TE方式最簡便。n材料選擇：決定于所測力的量值大小，對測量誤差提 出的要求、工作環境溫

18、度等各種因素。n晶片數目：通常是使用機械串聯而電氣并聯的兩片。晶片電氣并聯兩片，可以使傳感器的電荷 輸出靈敏度增大一倍。上一頁下一頁返 回單向壓電式測力傳感器 n用于機床動態切削力的測量。 上一頁下一頁返 回壓電式壓力傳感器 n測量均布壓力的傳感器 n拉緊的薄壁管對晶片提供預載力而感受外部壓力的是由撓性材料做成的很薄的膜片。預載筒外的空腔可以連接冷卻系統，以保證傳感器工作在一定的環境溫度條件下，避免因溫度變化造成預載力變化引起的測量誤差。 上一頁返 回例題1n有一壓電晶體，其面積S3cm*cm,厚度t0.3mm,在x切型縱向石英晶體壓電系數 。 求受到壓力p10MPa作用時產生的電荷q及輸出電壓 注：其中真空介電常數: 石英相對介電常數為： 12112.3110/dCN0U1 208 .8 51 0/Fm4 .5rn解： 受力作用后，石英晶體產生的電荷量為： 帶入數據得： 晶體的電容量為： 得輸出電壓1 11 1qdFdpS96.93 10qC0rsCt 113.98 10CF9116.93*101743.98*10qUVC例題2n壓電式加速度傳感器的結構如圖所示，假設重塊組件的質量為m，壓電元件的壓電系數為d，傳感器殼體內的等效阻尼系數為c。要求：（1）分別給出輸出電荷q及輸出電壓U與加