第6章 压电传感器

2023/10/171本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、压电元件、等效电路、电荷放大器、压电传感器的结构及应用，振动的基本概念、振动传感器及振动频谱分析等。

第六章压电传感器

有一些页面的文字较多，

请教师根据自己的专业方向做减法。2023/10/172第一节压电传感器的工作原理第二节压电传感器的测量转换电路第三节压电传感器的结构和应用第四节振动测量及频谱分析第六章压电传感器目录

进入进入进入进入第一节压电传感器的工作原理压电式传感器的特点：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。

現在時間是：*高职资料咨询电话、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。还有一些人造材料也具有压电效应。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）。石英晶体石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。天然石英晶体外形天然石英晶体外形（续）天然石英晶体的结构及剖面天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。

经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴；经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴。天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。石英晶体切片的三个面（续）在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷；在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。L、δ、b分别为石英晶片的长度、厚度和高度。电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧。石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。

石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性石英在高温下相对介电常数的温度特性石英晶体的切片石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装天然石英晶体的x轴向受力产生电荷极性在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx式中的d11称为压电常数。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；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。1－正电荷等效中心2－负电荷等效中心压电效应的微观分析

未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠，

从宏观上看，整体不带电。2023/10/1718二氧化硅的晶体结构模拟图1－正电荷等效中心2－负电荷等效中心

晶体沿x面受压力时的带电情况分析

石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，

x面的上表面带正电，下表面带负电。Q=d11Fx1－正电荷等效中心2－负电荷等效中心晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离,x面的上表面带负电,下表面带正电。

受交变力时，产生交变电信号。交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生交变电荷产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。逆压电效应清代诗人苏履吉赞颂鸣沙“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”——鸣沙山上的逆压电效应鸣沙丘煤气灶压电点火器另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲击多块串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气。压电陶瓷还可以制成电子打火机，可使用100万次以上。24煤气灶上的点火器有两种。一种为有源点火器，要依靠干电池逆变电路产生高压电火花；二、压电材料的分类及特性

压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：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；第三类是经过极化处理的高分子压电材料。压电材料的分类

.（一）石英晶体石英晶体在20～200℃的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/℃。具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.31

10-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。

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。晶振石英晶体还可制作

晶体振荡器（晶振）（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）。

压电陶瓷外形

压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件下，经1000℃以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上千伏高电压进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。压电陶瓷的极化处理

a）极化处理前电畴杂乱分布b）在极化电压下的电畴分布c）冷却、稳定后的电畴分布1－镀银上电极2－压电陶瓷3－镀银下电极4－电畴5－极化高压电源↑－细微的电畴极化方向常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数[d＝（200～500）

10-12C/N]。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。无铅压电陶瓷锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。（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。高分子压电材料（续）高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为压电陶瓷的1／4，弹性柔顺常数比陶瓷大30倍。可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1μm，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、扬声器等。高分子压电薄膜及拉制、切片高分子压电材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109Hz。工作温度一般低于100℃。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。高分子压电材料制作的

压电垫和压电电缆

可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

压电式门口压电式脚踏报警器

高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）第二节压电传感器的测量转换电路

压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属于Q/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。

回目录外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。

一、压电元件的等效电路

交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra。

极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比；漏电电阻Ra应大于1MΩ。a）结构示意图b）压电元件的符号c）压电元件的等效电路1－镀银上电极2－压电晶体3－镀银下电极二、电荷放大器1.电荷放大器原理电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益A

和输入电阻R

i、反馈电阻Rf（用于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷Q，反比于反馈电容Cf，而基本上与Cc、Ca、Ci无关：2.电荷放大器电路1－压电传感器2－屏蔽电缆线3－传输线分布电容4－电荷放大器SC－灵敏度选择开关SR－带宽选择开关Cf´－Cf

在放大器输入端的密勒等效电容

Cf″－Cf在放大器输出端的密勒等效电容电荷放大器的4级放大电路框图压电传感器与电荷放大器及

后续仪表的连接.四通道电荷放大器外形.某电荷放大器的前后面板某电荷放大器指标灵敏度：0.1～1000mV/pC可调（pC是“皮库伦”）；频率范围：0.3～100kHz；

噪声(最大增益时)：折合至输入端小于5µV；

准确度：1%；最大输出：±10V或10mA；

电

源：220V/50Hz；

控制方式：

计算机、遥控或手动。超小型电荷放大器模块灵敏度：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：电容调整线性误差：1%最大输出：±5V或±10V可选电

源：±15V特点：可组成经济的多点测试系统。主要性能指标:焊接式电荷放大器其他电荷放大器外形面板式电荷放大器多通道电荷放大器外形压电传感器只能应用于动态测量

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于3Hz，但在30kHz以上时，灵敏度下降）。

第三节压电传感器的应用（一）高分子压电材料的应用1.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发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。

粘贴位置回目录

足球高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块

将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。

使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q

，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。2.压电式周界报警系统

（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将压电电缆埋在地面的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。多通道测量系统的输出波形1－铜芯线（分布电容内电极）2－管状高分子压电塑料绝缘层3－铜网屏蔽层（分布电容外电极）4－橡胶保护层（承压弹性元件）高分子压电电缆周界报警系统3.交通监测

（包括轴数、轴距、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。

将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：高分子压电电缆的应用演示集成脉搏传感器采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过压电薄膜转换成电荷量，再经传感器内部的电荷放大电路转换成输出电压。

其他应用：·脉搏计数探测·振动、冲击、碰撞报警·振动加速度测量·管道压力波动·其它机电转换、动态力检测等

（二）压电陶瓷传感器的应用

1．压电式动态力传感器

a）单向力传感器外形b）三维切削力传感器外形

c）内部结构1－刚性传力上盖2－压电片3－电极4－电极引出插头5－绝缘材料6－底座压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。利用压电传感器和

微处理器实现

延时起爆的钻地炸弹传感器安装位置刀具切削力测量示意图1－单向动态力传感器2－刀架3－车刀4－工件2.单向动态力传感器的应用压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量

一体化车刀动态力测量YDS-III79K型压电石英

三维力传感器特性指标项目数值z向测力范围/kgf①±1000x、y向测力范围/kgf±200分辨力/kgf±0.001z向灵敏度/pC/kgf±40x、y向灵敏度/pC/kgf±80刚度/kgf85固有频率/kHz15～25非线性（%）±1横向干扰（%）±5温度系数/%℃－1-0.04使用温度范围/℃-60～120备注①：在工程中，1kgf

≈10.2N压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力第四节振动测量及频谱分析一、振动的基本概念

物体在某一平衡位置附近所做的往复运动，称为机械振动，简称为振动。回目录洗衣机机床风机夯实机地震的巨大威力地震波形物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。从振动对象来分：有机械振动（例如机床、电机、泵风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及地震、武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。振动的分类

物体振动一次所需的时间称为周期,用T表示,单位是s。每秒振动的次数称频率，用f表示,单位为Hz。振动物体的位移用x表示，偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用A表示，单位为mm；振动的速度用v表示，单位为m/s；加速度用a表示，单位为m/s2。振动幅值随时间的变化得到的曲线，叫振动波形。振动的基本概念（续）振幅测振系统演示弹簧振子的简谐振动ffff峰值=A(当振动为简谐振动时,可以认为峰值是振幅)；峰峰值=2A(当振动为简谐振动时）；有效值=0.707A

；（峰值=1.414有效值，当振动为简谐振动时）平均值=0.636A（当振动为简谐振动时）。简谐振动的三个基本参数

正峰值A负峰值A有效值峰峰值平均值二、测振传感器的分类

测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。介绍压电式测振传感器及其应用。a）原理图b）中心压缩式压电加速度传感器结构c）环形剪切式压电加速度传感器结构d）外形1－基座2－引出电极3－压电晶片4－质量块5－弹簧6－壳体7－固定螺孔三、压电式振动加速度传感器的结构1.灵敏度K

压电式加速度传感器的输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）。而输入量为加速度，单位为m/s2,所以灵敏度以pC/ms-2为单位,或用重力加速度pC/g。灵敏度的范围约为10～100pC/g。目前许多压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单位也可以为mV/g，通常为10～1000mV/g。2.频率范围常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz～20kHz。3.动态范围常用的测量范围为0.1～100g，或1000m/s2。测量冲击振动时应选用100～10000g的高频加速度传感器；而测量桥梁、地基等微弱振动往往要选择0.001～10g的高灵敏度的低频加速度传感器。四、压电振动加速度传感器的性能指标a）双头螺钉固定法b）磁铁吸附法c）胶水粘结法d）手持探针式法1－压电式加速度传感器2－双头螺钉3－磁钢4－粘结剂5－顶针五、压电振动加速度传感器的安装及使用d）压电式振动加速度传感器的结构及外形

横向振动测振器纵向振动测振器某小型“内装IC的压电加速度传感器”

性能指标灵敏度：500mV/g

量程：10g

频率范围：4-4000Hz

安装谐振点:15kHz

分辨力：0.0001g

重量：40g

安装螺纹：M5mm

线性：≤1%压电加速度传感器的使用手持式测振仪手持式压电加速度传感器听诊器六、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。发动机爆震波形汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角（例如10度以内），就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测爆震，并适当延迟之。发动机爆震测量压电陶瓷加速度传感器七、振动的频谱分析时域图测量时域图形，用示波器等仪器，测量频域图形，用频谱仪等仪器。回目录現在時間是：*2.频域图形：如果将时域图形经过快速傅里叶变换(FFT),就能在计算机显示器上显示出另一种坐标图，它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率的振动分量的大小。专门用于测量和显示频谱图的仪器称为频谱仪。频谱图能显示信号中的频率成份。1.时域图形：时域图形的横坐标为时间轴。频谱仪外形频域图（频谱图）频谱仪

频域图形（频谱图）

频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。频谱图反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。同一台空压机振动的时域图形和频域图形比较2023/10/1792振动时域/频域图形（参考东方振动和噪声