【正文】 ?????????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 39 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 于是前置放大器的輸入電壓的幅值 Usrm為 2211)()(1 icdms r mCCCRRFdU??????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 40 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 輸入電壓與作用力之間的相位差 φ為 由式可以看出 ,當作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力 ,即 ω＝０時 ,Usrm=0,前置放大器的輸入電壓等于 0,這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 33 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 測量電路方塊圖 前置放 大 器測 量 儀 表壓 電 式傳 感 器? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 34 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 完整的等效電路 (a)電荷等效電路 。 (b)等效電壓源 ＋－CdCdU U ＝qCd( a ) ( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 32 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 當壓電式傳感器與測量電路配合使用時 ,方塊圖如圖 。 參數(shù)如下 : 3411 2393311332 10 5 10 3 10 / 10 5 10 / 2 10 / 0 /TD mm ml mm mE N mM g k gFmd C Ng m s??????? ? ?? ? ???? ? ??????? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 28 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 經(jīng)計算得固有頻率為 20400042n DEf H zml???靜電容量 233333233500244 1 0 /Taag TDCFld M g lU V gD????????? ? ?電壓靈敏度 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 29 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 一種壓電加速度傳感器的外形 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 30 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 壓電傳感器的等效電路 ? 壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件 。 缺點是體積大 ,機械強度較前兩種差 。 壓電晶片粘貼在懸臂梁的側(cè)面 ,懸臂梁的自由端裝配質(zhì)量塊 ,固定端與基座連接 。 這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度高 ,橫向靈敏度小 ,而且能減小基座應變的影響 。 圖 壓電加速度傳感器的幾種結(jié)構(gòu) 支座 質(zhì) 量 塊壓 電 元 件輸 出 引 線( c )壓 電 元 件安 裝 螺 釘固 緊 螺 母質(zhì) 量 塊輸 出 引 線( a )壓 電 元 件質(zhì) 量 塊安 裝 螺 釘輸 出 引 線( b )? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 19 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 四川綿陽科學城金橋傳感器廠生產(chǎn)的壓電加速度傳感器產(chǎn)品系列 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 20 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 四川綿陽科學城金橋傳感器廠生產(chǎn)的微型三軸向壓電加速度傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 21 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 中南大學電子設備廠生產(chǎn)的 YD1系列壓電壓力傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 22 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 振動沖擊加速度傳感器 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 23 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 壓電片 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 24 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 圖 (b)是剪切式壓電加速度傳感器 ,采用剪切應力實現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換 。 這是目前最常見的一種 。 在較高的頻率下該公式不適用 ,特別到傳感器的固有共振頻率附近 ,靈敏度急劇變化 (增大 ),該公式一般在傳感器固有共振頻率的 1/2~1/5以下使用 。 質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬如鎢或其他金屬制成 ,而晶片很薄 ,即有Mm,故上式通常寫為 ? Q=d33Ma ? a=g(重力加速度 )時得到的電荷 Q值 ,常稱為靈敏度 ,單位記為 C/g,即靈敏度為一個 g產(chǎn)生的電荷 。 電信號經(jīng)前置放大器放大 ,即可由一般測量儀器測試出電荷 (電壓 )大小 ,從而得知物體的加速度 。它由質(zhì)量塊 、 壓電元件和支座組成 。 ? 壓電單晶和壓電陶瓷都是脆性材料 。 極化后的壓電陶瓷可以當作壓電晶體來處理 。 隨著壓電傳感器的大量應用 ,在石英之后研制出了許多人造晶體 ,如 ADP、 KDP、 EDT、 DKT和 LH等壓電單晶體 。ejh、eik稱為壓電應力常數(shù) ,簡稱壓電常數(shù) 。βTij是恒應力下介電隔離率 ,也稱自由介電隔離率 。 ? (2)選取電場強度分量 Ej和應力分量 Tk為獨立變量 ,得到 d型壓電方程 , 1 , 2 , 3, 1 , 2 , , 6Eh h k k j h jTi i k k i j jS s T d E i jD d T E h k?? ? ?? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 7 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 式中 ,sEhk是恒電場下的柔性常數(shù) ,也稱短路柔性常數(shù) 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 5 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 在電場強度 、 電位移和應力 、 應變這四組變量中 ,可以任選一組力學量和一組電學量作自變量 ,這就有四種情況 ,有四組壓電方程 。 實際上力學量和電學量之間的關(guān)系式還和熱學量 (溫度和熵 )有關(guān) 。(b)不具有壓電效應的晶體 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 4 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 壓電方程 ? 晶體的壓電效應是一種力電耦合效應 。圖 (a)是說明晶體具有壓電效應的示意圖 。 晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性 。 具有壓電效應的晶體稱為壓電晶體 。 一些晶體當不受外力作用時 ,晶體的正負電荷中心相重合 ,單位體積中的電矩 (即極化強度 )等于零 ,晶體對外不呈現(xiàn)極性 ,而在外力作用下晶體形變時 ,正負電荷的中心發(fā)生分離 ,這時單位體積的電矩不再等于零 ,晶體表現(xiàn)出極性 。 它是由力學量應力 T和應變 S與電學量電場強度 E和電位移 D之間互相耦合產(chǎn)生的 。 但對于較快的變化 ,例如聲頻或更高的頻率 ,可認為是等熵(絕熱 )過程 。 ? (1)選取應變分量 Sk和電位移分量Dj為獨立變量 ,得到 h型壓電方程 2, 1 , 2 , 3, 1 , 2 , 3 , , 6DA h k k j h ji i k k i j jT c S h D i jE h S D h k?? ? ?? ? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 6 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 式中 ,cDhk是電位移不變 (恒電位移 )時的彈性常數(shù)或開路彈性常數(shù) 。εTij是恒應力下的介電常數(shù) ,也稱自由介電常數(shù) 。gjh、gik稱為壓電電壓常數(shù) ,簡稱壓電常數(shù) 。 在壓電方程中 ,彈性常數(shù) 、 柔性常數(shù)各有 36個 ,壓電常數(shù)有 18個 ,介電常數(shù) 、 介電隔離率各有 9個 。 但由于它們的性能存在某些缺陷 ,后來隨著人造壓電石英的大量生產(chǎn)和壓電陶瓷性能的提高 ,這些人造單晶體已逐漸被取代了 。 當前常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛 (PZT)。 而以聚偏二氟乙烯 (PVDF)為代表的壓電高聚物薄膜 ,壓電性強 ,柔性好 ,特別是聲阻抗與水和生物組織接近 ,是制作傳感器的良好材料 。 支座與待測物剛性地固定在一起 。 圖 壓電加速度傳感器原理圖 質(zhì) 量 塊壓電元件支座輸出引線? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 12 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 作用于壓電元件兩邊的力 lF上F下Oz? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 13 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? ? 如圖 ,作用于壓電元件兩邊的力為 ()F M aF M m a???上 下 式中 ,M為質(zhì)量塊質(zhì)量 ,m為晶片質(zhì)量 ,a為物體振動加 速度 ,晶片中 z處任一截面上的力為 ( 1 )zF M a m a l? ? ?? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 14 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 式中 ,l為晶片厚度 。 上式為靈敏度的電荷表示法 。 可以近似地把質(zhì)量塊看成一個純質(zhì)量 (忽略其彈性 ),晶片看成一純彈性元件 (忽略其質(zhì)量 )來計算傳感器的固