压电与超声波.pptx

传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器概述概述压压压压电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器以以以以电电电电介介介介质质质质的的的的压压压压电电电电效效效效应应应应为为为为基基基基础础础础，外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下在在在在电电电电介介介介质质质质表表表表面面面面产产产产生生生生电电电电荷，从而实现非电量测量荷，从而实现非电量测量荷，从而实现非电量测量荷，从而实现非电量测量,是一种典型的是一种典型的是一种典型的是一种典型的发电型发电型发电型发电型传感器传感器传感器传感器.压压压压电电电电式式式式传传传传感感感感器器器器可可可可以以以以对对对对各各各各种种种种动动动动态态态态力力力力、机机机机械械械械冲冲冲冲击击击击和和和和振振振振动动动动进进进进行行行行测测测测量量量量，在在在在声声声声学学学学、医医医医学学学学、力学、导航方面都得到广泛的应用力学、导航方面都得到广泛的应用力学、导航方面都得到广泛的应用力学、导航方面都得到广泛的应用。第1页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器概述概述水声（声呐）换能器水声（声呐）换能器压电陶瓷超声换能器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电加速度计压电警号压电警号第2页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.1 7.1 7.1 7.1 压电效应压电效应 v自然界中自然界中3232种晶体点阵，分为中心晶体点阵，分为中心对称对称和和非对称非对称两大类，其两大类，其中非中心对称的中非中心对称的2121种有种有2020种具有压电效应，压电现象是种具有压电效应，压电现象是晶体晶体缺乏中心对称缺乏中心对称引起的。引起的。vv某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生生生生极化极化极化极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；现象，同时在它表面会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；当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变.第3页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.1 7.1 7.1 7.1 压电效应压电效应 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 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，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”。压电元件可以将压电元件可以将压电元件可以将压电元件可以将机械能机械能机械能机械能电能电能电能电能也可以将也可以将也可以将也可以将电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能压电元件机械能电能第4页/共119页 传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料自自自自然然然然界界界界许许许许多多多多晶晶晶晶体体体体具具具具有有有有压压压压电电电电效效效效应应应应，但但但但十十十十分分分分微微微微弱弱弱弱，研研研研究究究究发发发发现现现现石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体、钛钛钛钛酸酸酸酸钡钡钡钡、锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅是优能的压电材料。是优能的压电材料。是优能的压电材料。是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电材料可以分为两类：压电材料可以分为两类：压电材料可以分为两类：压电压电压电压电晶体晶体晶体晶体、压电、压电、压电、压电陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷。石英晶体特征石英晶体特征石英晶体特征石英晶体特征 天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体天然、人工晶体两种都属于单晶体 化学式为化学式为化学式为化学式为 SiOSiO2 2，外形无论再小外形无论再小外形无论再小外形无论再小 都呈六面体结构都呈六面体结构都呈六面体结构都呈六面体结构 石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.17.2.1石英晶体石英晶体第5页/共119页 传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.17.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 单晶体（水晶）单晶体（水晶）单晶体（水晶）单晶体（水晶）压压电电晶晶片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第6页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.17.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 Z Z轴（轴（轴（轴（光轴光轴光轴光轴），晶体的对称轴，），晶体的对称轴，），晶体的对称轴，），晶体的对称轴，不产生压电效应不产生压电效应不产生压电效应不产生压电效应 X X轴轴轴轴（电轴电轴电轴电轴），通过六棱柱相对），通过六棱柱相对），通过六棱柱相对），通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴的两个棱线且垂直于光轴的两个棱线且垂直于光轴的两个棱线且垂直于光轴Z Z，压，压，压，压电效应最为显著。电效应最为显著。电效应最为显著。电效应最为显著。Y Y轴轴轴轴（机械轴机械轴机械轴机械轴），垂直于），垂直于），垂直于），垂直于X X轴和轴和轴和轴和Z Z轴，加力产生的变形最大。轴，加力产生的变形最大。轴，加力产生的变形最大。轴，加力产生的变形最大。石英晶体沿各个方向的特征不同（按特定方石英晶体沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）向切片）第7页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）压电元件受力后压电元件受力后压电元件受力后压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系:d d d d为压电系数为压电系数为压电系数为压电系数（与材料有关的常数）（与材料有关的常数）（与材料有关的常数）（与材料有关的常数）在在在在X X 轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时,产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为:d d1111纵向压电系数纵向压电系数纵向压电系数纵向压电系数，x x为为为为X X方向应力方向应力方向应力方向应力 在在在在Y Y 轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时轴方向施力时,产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为产生电荷大小为:d d1212横向压电系数，横向压电系数，横向压电系数，横向压电系数，y y为为为为Y Y方向应力方向应力方向应力方向应力 根据晶体的对称性根据晶体的对称性根据晶体的对称性根据晶体的对称性，压电系数压电系数压电系数压电系数 d d d d12121212=-d=-d=-d=-d11111111 a a a a、b b b b 是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸(长长长长 、厚、厚、厚、厚)，q q q qx x x x、q q q qy y y y 符号决定力的方向。符号决定力的方向。符号决定力的方向。符号决定力的方向。第8页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体的的的的上上上上述述述述特特特特征征征征与与与与内内内内部部部部分分分分子子子子结结结结构构构构有有有有关关关关，分分分分子子子子六六六六边边边边形形形形分布，三个电偶极矩。分布，三个电偶极矩。分布，三个电偶极矩。分布，三个电偶极矩。当当当当晶晶晶晶体体体体不不不不受受受受力力力力时时时时（F F=0=0=0=0），正正正正负负负负离离离离子子子子分分分分布布布布在在在在六六六六边边边边形形形形顶顶顶顶角角角角，电偶极矩互成电偶极矩互成电偶极矩互成电偶极矩互成1201201201200 0 0 0夹角，矢量和为零，晶体呈夹角，矢量和为零，晶体呈夹角，矢量和为零，晶体呈夹角，矢量和为零，晶体呈中性中性中性中性；当当当当晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿X X轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时，X X方方方方向向向向压压压压缩缩缩缩形形形形变变变变，电电电电偶偶偶偶极极极极矩在矩在矩在矩在X X轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于 出现出现出现出现上负下正电荷上负下正电荷上负下正电荷上负下正电荷；动画演示动画演示第9页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体 当当当当晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿Y Y 轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时，Y Y 方方方方向向向向压压压压缩缩缩缩形形形形变变变变，电偶极矩在电偶极矩在电偶极矩在电偶极矩在X X轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于轴方向的分量由于 出现出现出现出现上正下负电荷上正下负电荷上正下负电荷上正下负电荷；晶晶晶晶体体体体受受受受沿沿沿沿Z Z 轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的应应应应力力力力时时时时X X、Y Y方方方方向向向向形形形形变变变变相相相相同同同同不不不不产生压电效应产生压电效应产生压电效应产生压电效应；应力方向为应力方向为应力方向为应力方向为拉力拉力拉力拉力时，电荷极性与上述相反。时，电荷极性与上述相反。时，电荷极性与上述相反。时，电荷极性与上述相反。动画演示动画演示第10页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型第11页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体第12页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器动画演示动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示第13页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷是是是是人人人人工工工工制制制制造造造造的的的的多多多多晶晶晶晶体体体体压压压压电电电电材材材材料料料料，材材材材料料料料的的的的内内内内部部部部晶晶晶晶粒粒粒粒有有有有许许许许多多多多自自自自发发发发极极极极化化化化的的的的电电电电畴畴畴畴，具具具具有有有有一一一一定定定定的极化方向。的极化方向。的极化方向。的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消呈中性。极化相互抵消呈中性。极化相互抵消呈中性。极化相互抵消呈中性。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。时，所有的电畴与外电场一致。时，所有的电畴与外电场一致。时，所有的电畴与外电场一致。第14页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）外外外外电电电电场场场场去去去去掉掉掉掉后后后后，电电电电畴畴畴畴极极极极化化化化方方方方向向向向基基基基本本本本不不不不变变变变，剩剩剩剩余余余余极极极极化化化化强强强强度度度度很很很很大大大大。所所所所以以以以，压压压压电电电电陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷极化后极化后极化后极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。才具有压电特性，未极化时是非压电体。才具有压电特性，未极化时是非压电体。才具有压电特性，未极化时是非压电体。第15页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.2 7.2.2 7.2.2 7.2.2 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）晶晶晶晶体体体体极极极极化化化化后后后后，沿沿沿沿极极极极化化化化方方方方向向向向（垂垂垂垂直直直直极极极极化化化化平平平平面面面面）作作作作用用用用力力力力时时时时，引引引引起起起起剩剩剩剩余余余余极极极极化化化化强强强强度度度度变变变变化化化化，在在在在极极极极化化化化面面面面上上上上产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷，电电电电荷荷荷荷量量量量的大小与外力成正比关系，的大小与外力成正比关系，的大小与外力成正比关系，的大小与外力成正比关系，电荷密度：电荷密度：电荷密度：电荷密度：d d d d33 33 33 33 压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，d d d d33333333 比比 d d d d11111111、d d d d12121212大的多大的多大的多大的多 所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（特性减弱。随时间延长（特性减弱。随时间延长（特性减弱。随时间延长（2 2 2 2年后）年后）年后）年后）d d d d33333333会下降，会下降，会下降，会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。作为传感器使用时要经常校准修正。作为传感器使用时要经常校准修正。作为传感器使用时要经常校准修正。第16页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.4 7.2.4 7.2.4 7.2.4 压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能压电元件主要参数性能 性能参数：性能参数：性能参数：性能参数：压电常数；压电常数；压电常数；压电常数；介电常数（高）；介电常数（高）；介电常数（高）；介电常数（高）；弹性常数；弹性常数；弹性常数；弹性常数；机械耦合系数；机械耦合系数；机械耦合系数；机械耦合系数；工作温度。工作温度。工作温度。工作温度。FF 锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅（压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷PZTPZT）是是是是一一一一种种种种性性性性能能能能优优优优越越越越的的的的压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷，是是是是目目目目前前前前最最最最普普普普遍遍遍遍使用的压电材料。使用的压电材料。使用的压电材料。使用的压电材料。第17页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2 7.2 7.2 7.2 压电材料压电材料7.2.3 7.2.3 7.2.3 7.2.3 新型压电材料新型压电材料新型压电材料新型压电材料 石英石英和和压电陶瓷压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。易碎，不耐冲击，难以加工。新型新型合成合成合成合成高分子材料高分子材料：PVF聚氟乙烯聚氟乙烯聚氟乙烯聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙聚氯乙聚氯乙聚氯乙烯烯烯烯等等等等能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。灵敏度比灵敏度比PZT（压电陶瓷）大（压电陶瓷）大17倍倍。压电半导体材料，压电半导体材料，具有压电特性又有半导体特性，可研制集成压电具有压电特性又有半导体特性，可研制集成压电传感器系统。传感器系统。这些材料有：这些材料有：(ZnS)(CdTe)(ZnO)(CdS)(GaAs)第18页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.3 7.2.3 7.2.3 7.2.3 新型压电材料新型压电材料新型压电材料新型压电材料 聚聚偏偏氟氟乙乙烯烯压压压压电电电电效效效效应应应应而这些新型而这些新型合成合成合成合成材料的分子链中材料的分子链中CF键具有极性，有一定的偶极矩；键具有极性，有一定的偶极矩；通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应；通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应；必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。第19页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.5 7.2.5 7.2.5 7.2.5 压电元件结构形式压电元件结构形式压电元件结构形式压电元件结构形式 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、四四四四片片片片压压压压电电电电元元元元件件件件组组组组成成成成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，因因因因此此此此存存存存在在在在连连连连接接接接方法，双片连接时：方法，双片连接时：方法，双片连接时：方法，双片连接时：vv 压电晶片按压电晶片按压电晶片按压电晶片按+-+-+粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路并联并联并联并联+_+_U+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+电荷增加一倍，适用于电荷放大器电荷增加一倍，适用于电荷放大器第20页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.5 7.2.5 7.2.5 7.2.5 压电元件结构形式压电元件结构形式压电元件结构形式压电元件结构形式 U+_+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _vv 压电晶片按压电晶片按压电晶片按压电晶片按+-+-+-+-粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路粘贴时电路串联串联串联串联电压增加一倍适用于电压放大器电压增加一倍适用于电压放大器第21页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.2.5 7.2.5 7.2.5 7.2.5 压电元件结构形式压电元件结构形式压电元件结构形式压电元件结构形式 第22页/共119页 传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3 7.3 7.3 7.3 测量电路测量电路 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 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传感器等效电路 压电传感器可视为电荷源压电传感器可视为电荷源视为视为电荷输出电荷输出时可时可等效等效为电荷源为电荷源Q和电容和电容Ca并联，并联，开路状态输出端电荷为：开路状态输出端电荷为：视为视为电压输出电压输出时可时可等效等效为电压源为电压源U与电容与电容Ca串联，串联，开路状态输出端电压为：开路状态输出端电压为：看成具有看成具有+、-极性的电容器，可极性的电容器，可等效为等效为等效为等效为一个电容器一个电容器一个电容器一个电容器CaCa；电容极板上电压大小与极板间电荷成正电容极板上电压大小与极板间电荷成正比比第23页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电路路路路 vv 根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种 等效电压源 等效电流源根据它们之间的关系有：根据它们之间的关系有：根据它们之间的关系有：根据它们之间的关系有：电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度第24页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电路路路路 等效电压源等效电压源 等效电流源等效电流源 当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：电缆等效电容电缆等效电容电缆等效电容电缆等效电容C Cc c 接入电路的输入电容接入电路的输入电容接入电路的输入电容接入电路的输入电容C Ci i 放大器输入电阻放大器输入电阻放大器输入电阻放大器输入电阻R Ri i 传感器漏电电阻传感器漏电电阻传感器漏电电阻传感器漏电电阻R Ra a。第25页/共119页 传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电压电传感器等效电路路路路 压电元件压电元件压电元件压电元件内阻内阻内阻内阻很高，需要系统前置电路具有高的很高，需要系统前置电路具有高的很高，需要系统前置电路具有高的很高，需要系统前置电路具有高的输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接压电元件输出可以是压电元件输出可以是压电元件输出可以是压电元件输出可以是电压源电压源电压源电压源也可以是也可以是也可以是也可以是电荷源电荷源电荷源电荷源。因。因。因。因此，前置放大器也有两种形式：此，前置放大器也有两种形式：此，前置放大器也有两种形式：此，前置放大器也有两种形式：电压放大器电压放大器电压放大器电压放大器、电电电电荷放大器荷放大器荷放大器荷放大器由等效电路可见，只有在负载由等效电路可见，只有在负载由等效电路可见，只有在负载由等效电路可见，只有在负载R RL L时受力产生的时受力产生的时受力产生的时受力产生的电荷电荷电荷电荷才能长期保存下来，否才能长期保存下来，否才能长期保存下来，否才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量则放电回路很快将电荷放掉，因此测量则放电回路很快将电荷放掉，因此测量则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时频率较低时频率较低时频率较低时必须保证必须保证必须保证必须保证R RL L很大很大很大很大，即时间，即时间，即时间，即时间常数常数常数常数 R RL LC Ca a=大。大。大。大。前置电路有两个作用：一是前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号放大微弱的信号、二是、二是阻抗变换阻抗变换第26页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 （1 1 1 1）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器及等效电压放大器及等效电压放大器及等效电压放大器及等效电路示意图电路示意图 如果压电元件为如果压电元件为如果压电元件为如果压电元件为正弦正弦正弦正弦作用力变化作用力变化作用力变化作用力变化电压放大器的输入端电压放大器的输入端电压放大器的输入端电压放大器的输入端第27页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 送入放大器输入端的电压送入放大器输入端的电压送入放大器输入端的电压送入放大器输入端的电压u ui i写成复数形式写成复数形式写成复数形式写成复数形式 实际实际实际实际幅值幅值幅值幅值（有效值）（有效值）（有效值）（有效值）d d 压电系数；压电系数；压电系数；压电系数；信号频率；信号频率；信号频率；信号频率；R=Ra/RiR=Ra/Ri 传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化:第28页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路输入电压幅值输入电压幅值输入电压幅值输入电压幅值幅值幅值幅值幅值相位差相位差相位差相位差v 传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度 实际输入实际输入 理想情况理想情况第29页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路vv 前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为令前置放大器输入回路的时间常数为令前置放大器输入回路的时间常数为令前置放大器输入回路的时间常数为令前置放大器输入回路的时间常数为 分别得到分别得到分别得到分别得到相对相对相对相对幅频特性幅频特性幅频特性幅频特性和和和和相频特性相频特性相频特性相频特性：理理理理想想想想实实实实际际际际第30页/共119页 电压放大器讨论：电压放大器讨论：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；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；优点优点优点优点:高频响应特性好。高频响应特性好。高频响应特性好。高频响应特性好。一般认为当一般认为当一般认为当一般认为当 33时输入电压与信号频率无关；时输入电压与信号频率无关；时输入电压与信号频率无关；时输入电压与信号频率无关；缺缺缺缺点点点点：低低低低频频频频响响响响应应应应差差差差，提提提提高高高高低低低低频频频频响响响响应应应应的的的的办办办办法法法法是是是是增增增增大大大大，但但但但不不不不能能能能靠靠靠靠增增增增加加加加输输输输入入入入电电电电容容容容CaCa（R RL LC Ca a=），因因因因为为为为电电电电压压压压灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度与与与与电电电电容容容容成成成成反反反反比比比比 。实际是增大前置输入回路电阻实际是增大前置输入回路电阻实际是增大前置输入回路电阻实际是增大前置输入回路电阻 R Ri i 。FF从从从从电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电压灵敏度K Ku u可见，连接电缆的分布电容可见，连接电缆的分布电容可见，连接电缆的分布电容可见，连接电缆的分布电容C Cc c影响传感器灵敏度，影响传感器灵敏度，影响传感器灵敏度，影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的这是电压放大器的这是电压放大器的这是电压放大器的缺点缺点缺点缺点。第31页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器 R R1 1、R R2 2分压经分压经分压经分压经 R Rg g 耦合作场效应管偏置。耦合作场效应管偏置。耦合作场效应管偏置。耦合作场效应管偏置。观察观察观察观察R Rg g两端电压，信号经两端电压，信号经两端电压，信号经两端电压，信号经C C1 1耦合到耦合到耦合到耦合到R Rg g的的的的A A端，由于场端，由于场端，由于场端，由于场效应管跟随作用，使效应管跟随作用，使效应管跟随作用，使效应管跟随作用，使S S（源）（源）（源）（源）GG（栅）间电压大小近（栅）间电压大小近（栅）间电压大小近（栅）间电压大小近似相等、相位相同。似相等、相位相同。似相等、相位相同。似相等、相位相同。vv 电压放大器实例：电压放大器实例：用场放应管实现高阻抗匹配的放大用场放应管实现高阻抗匹配的放大用场放应管实现高阻抗匹配的放大用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举反馈自举反馈自举反馈自举反馈电路电路电路电路 （跟随器）（跟随器）（跟随器）（跟随器）阻抗变换电路阻抗变换电路阻抗变换电路阻抗变换电路 信号经信号经信号经信号经C C2 2耦合到耦合到耦合到耦合到R Rg g的的的的B B端，这时端，这时端，这时端，这时R Rg g两端电压近似相等，相当于两端电压近似相等，相当于两端电压近似相等，相当于两端电压近似相等，相当于R Rg g上的电流很小，上的电流很小，上的电流很小，上的电流很小，意味着场效应管输入阻抗并没有因偏置分压电路而降低。意味着场效应管输入阻抗并没有因偏置分压电路而降低。意味着场效应管输入阻抗并没有因偏置分压电路而降低。意味着场效应管输入阻抗并没有因偏置分压电路而降低。第32页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 为为为为解解解解决决决决电电电电缆缆缆缆分分分分布布布布电电电电容容容容C Cc c 对对对对传传传传感感感感器器器器灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度的的的的影影影影响响响响，和和和和低低低低频频频频响响响响应应应应差差差差的的的的缺缺缺缺点点点点可可可可采采采采用用用用电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器是是是是一一一一种种种种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量量量量成成成成正正正正比比比比的的的的前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器。可可可可利利利利用用用用电电电电容容容容作反馈元件的作反馈元件的作反馈元件的作反馈元件的深度负反馈的高增益深度负反馈的高增益深度负反馈的高增益深度负反馈的高增益运放。运放。运放。运放。（2 2 2 2）电荷放大器）电荷放大器第33页/共119页传感与检测技术传感与检测技术第第第第7 7 7 7章章章章 压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器压电元件与超声波传感器7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路测量电路测量电路 理想情况输出电压为：理想情况输出电压为：理想情况输出电压为：理想情况输出电压为：压电传感器的输入电路由一个反馈电容压电传感器的输入电路由一个反馈电容压电传感器的输入电路由一个反馈电容压电传感器的输入电路由一个反馈电容C Cf f 和高增益运算放大器构成。和高增益运算放大器构成。和高增益运算放大器构成。和高增益运算放大器构成。因运放输入端因运放输入端因运放输入端因运放输入端 R Ri i 阻抗很高，几乎无分流，可忽略阻抗很高，几乎无分流，可忽略阻抗很高，几乎无分流，可忽略阻抗很高，几乎无分流，可忽略 R Ra a/R/Ri i 并联，输入只对并联，输入只对并联