压电式传感器

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第七章压电式传感器压电效应压电材料压电元件常用结构形式等效电路测量电路压电式传感器应用举例本章内容：测试技术基础

1正压电效应某些物质在一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应逆压电效应在压电材料的两个电极上加以交流电压，压电片会产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也称“逆压电效应”。压电效应(piezoelectriceffect)§7.1压电效应

2石英晶体的压电效应演示逆压电效应机械能正压电效应电能§7.1压电效应

3§7.1压电效应用极化强度矢量表示材料的压电效应：dm,n为压电系数，m表示产生电荷的面的轴向，n表示施加作用力的轴向。正压电效应：（每单位力输入时电荷密度）逆压电效应：（每单位场强作用下的应变）

4§7.1压电效应主要的压电效应：横向效应；纵向效应；剪切效应压电效应作用方向图例：石英晶体的压电效应晶片在电轴x-x方向上受到压应力：结论：当石英晶体切片受x向压力作用时，所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。

5§7.1压电效应在横向(y-y)施加作用力结论：当沿着机轴y-y方向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴x-x方向加压力时产生的电荷极性相反(式中负号)。

6压电材料的主要特性参数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电材料输出的灵敏度；对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限；压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特征；(1)压电常数(2)弹性常数(3)介电常数§7.1压电效应

7(4)机电耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数；(5)电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性；(6)居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。压电材料的主要特性参数§7.1压电效应

8压电元件材料一般有三类：(1)单晶压电晶体（如上述的石英晶体）(2)多晶压电陶瓷(3)新型压电材料---压电半导体---高分子压电材料§7.2压电材料的分类及特性

91.石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10-12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃(压电系数不随温度而改变)、工作湿度高达100%、稳定性好。§7.2压电材料的分类及特性

10x轴：电轴或1轴；y轴：机械轴或2轴；z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷在光轴(z轴)方向有作用力时，不会产生压电效应。§7.2压电材料的分类及特性

11天然石英晶体外形1.石英晶体§7.2压电材料的分类及特性

12石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装§7.2压电材料的分类及特性

13石英晶体振荡器（晶振）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晶振§7.2压电材料的分类及特性

142.压电陶瓷人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化（a）未极化的陶瓷（b）正在极化的陶瓷（c）极化后的陶瓷§7.2压电材料的分类及特性

15常见压电陶瓷：(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英(2)锆钛酸铅Pb(Zr·Ti)O3系压电陶瓷(PZT)压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。(3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN)具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温环境中测力传感器。§7.2压电材料的分类及特性

16压电陶瓷外形§7.2压电材料的分类及特性

17无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）§7.2压电材料的分类及特性

183.新型压电材料(1)压电半导体材料压电半导体材料有硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。§7.2压电材料的分类及特性

19(2)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。3.新型压电材料§7.2压电材料的分类及特性

20高分子压电薄膜及拉制§7.2压电材料的分类及特性

21高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆§7.2压电材料的分类及特性

22可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板§7.2压电材料的分类及特性

23高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）§7.2压电材料的分类及特性

24双晶片结构形式实际使用中，采用单片压电片工作的话要产生足够表面电荷就需很大作用力但测量粗糙度和微压差时所提供的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。并联串联§7.3压电元件常用结构形式

25两个压电片的联结方式(b)“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。(a)“并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。§7.3压电元件常用结构形式

26§7.4压电传感器等效电路

27(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca的并联电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路§7.4压电传感器等效电路

28压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用：把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。§7.5压电传感器的测量电路

291、电压放大器Ca：传感器电容Ra：传感器漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器输入电阻Ci：放大器输入电容§7.5压电传感器的测量电路

30前置放大器输入电压压电元件上作用力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11·F。输入电压的幅值§7.5压电传感器的测量电路

31当作用力为静态力(ω=0)时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能用于静态量的测量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。§7.5压电传感器的测量电路结论：输入电压的幅值

32电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。§7.5压电传感器的测量电路

33解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。压电式加速度传感器压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。由于引线非常短，引线电容几乎等于零，就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。§7.5压电传感器的测量电路

342、电荷放大器电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。§7.5压电传感器的测量电路

35压电传感器的电荷放大器等效电路§7.5压电传感器的测量电路输出电压正比于输入电荷。在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。

36充电电压接近等于放大器的输出电压结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系；2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf小，输出就大。4、要达到一定的输出灵敏度，必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：(1+K)Cf>>(Ca+Cc+Ci)§7.5压电传感器的测量电路

37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特点：可组成经济的多点测试系统§7.5压电传感器的测量电路

38§7.5压电传感器的测量电路多通道电荷放大器

391.高分子压电材料的应用玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会产生的振动信号，并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴位置§7.6压电传感器的应用

402.交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。§7.6压电传感器的应用

41压电式振动加速度传感器结构及外形横向振动测振器纵向振动测振器§7.6压电传感器的应用3.在振动测量中应用

42压电振动加速度传感器性能指标（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）技术指标：灵敏度：500mV/g量程：10g频率范围：4-4000Hz安装谐振点:15kHz分辨力：0.00004g重量：40g安装螺纹：M5mm线性：≤1%§7.6压电传感器的应用

43压电振动加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。§7.6压电传感器的应用

44空分机结构简图§7.6压电传感器的应用压电测振传感器在结构故障诊断中应用

45该空分机某次大修后开机，发现齿轮箱剧烈振动，并伴随尖叫声。为了对其进行诊断，采用加速度传感器拾取齿轮箱3＃、4＃、5＃、6＃轴承座振动情况，采样频率为15000Hz，采样长度1024点。下图为齿轮箱5＃轴承座的振动波形和FFT频谱。空分机5#轴承座振动波形及其频谱§7.6压电传感器的应用

46(a)波形(b)频谱(c)包络(d)包络谱齿轮箱振动信号的包络分析§7.6压电传感器的应用

47§7.6压电传感器的应用4.在超声导波检测中应用

48§7.6压电传感器的应用