6-1压电传感器的工作原理及测量转换电路

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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
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第二节 压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷
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二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
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（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
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双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
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石英晶体在振荡电
路中工作时，压电效应
与逆压电效应交替作用，
从而产生稳定的振荡输
出频率。
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
第六章 压电传感器
本章学习压电传感器 的原 理、应用及振动频谱分析。
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第一节 压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某 些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介 质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能 变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、 振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。
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压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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高分子压电薄膜及拉制
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（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电 致伸缩效应）。
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石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、 可靠性、稳定性高。
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到 压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷 Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效 应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz Baidu Nhomakorabea制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
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超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响
很小：
uo
Q Cf
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电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转 换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的 作用，只是一种习惯叫法。
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四通道电荷放大器外形
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上图所示的四通道电荷放大器指标
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
特点：可组成经济的多点测试系统
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其他电荷放大器外形
面板式电荷放大器
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其他电荷放大器外形（续）
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本章作业 p108：2、3、5
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休息一下
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