传感器——压电传感器教材

1、第五章第五章 压电传感器压电传感器 它是利用它是利用压电材料压电材料制成传感元件的传感器。制成传感元件的传感器。该传感器利用了压电材料的该传感器利用了压电材料的，即在，即在外力作用下，该材料的表面产生电荷，从而外力作用下，该材料的表面产生电荷，从而实现非电量的电测。实现非电量的电测。 压电传感器的压电传感器的特点特点：频响好；灵敏度高；：频响好；灵敏度高；信噪比大。信噪比大。 参考书：参考书： 压电学压电学 张福学张福学v工作原理工作原理压电效应压电效应石英晶体石英晶体压电陶瓷压电陶瓷v压电材料压电材料v测量电路测量电路等效电路等效电路测量电路测量电路电压放大器和电荷放大器电压放大器和电荷放大

2、器v补偿技术补偿技术v应用简介应用简介压电传感器主要内容压电传感器主要内容第一节第一节 压电效应压电效应1 1、现象：对于某些电介质材料，当沿一定方向对其现象：对于某些电介质材料，当沿一定方向对其 施力施力时，因其内部的极化现象，该材料表时，因其内部的极化现象，该材料表 面产生面产生符号相反的电荷符号相反的电荷；当外力不存在；当外力不存在 时，重新恢复不带电状态，该现象称作时，重新恢复不带电状态，该现象称作压压 电效应电效应（或正压电效应）。（或正压电效应）。 反之，当在其表面加以电场时，该电介质会产生反之，当在其表面加以电场时，该电介质会产生形变，该现象称为形变，该现象称为逆压电效应逆压电效

3、应。2 2、工作原理、工作原理（1 1）石英晶体压电效应的定性分析：）石英晶体压电效应的定性分析：v石英晶体：一般为正六面体。石英晶体：一般为正六面体。v坐标系：坐标系：x x轴为电轴，与棱线垂直；轴为电轴，与棱线垂直；y y轴为机械轴；轴为机械轴；z z 轴为光轴，与横截面垂直轴为光轴，与横截面垂直主轴坐标系。主轴坐标系。 v硅氧离子在（硅氧离子在（0 0，0 0，1 1）晶面的排列：位于正六）晶面的排列：位于正六面体横截面的六个顶角上，由此形成三对偶极矩面体横截面的六个顶角上，由此形成三对偶极矩互成互成1201200 0的偶极子。且有：的偶极子。且有： ，所以，所以合偶极矩为合偶极矩为0

4、0。 321ppp石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应v当晶体受到当晶体受到x方向作用力时，方向作用力时， 若若FxFx大于大于0（拉力），则有：（拉力），则有： 。若若FxFx小于小于0 （压力），则有：（压力），则有： 。总之，总之，当晶体受到沿当晶体受到沿x x方向的作用力方向的作用力时，它时，它将将在在x x轴方向产生正压电效应轴方向产生正压电效应，在，在y y和和z z方向不方向不产生压电效应。这称为产生压电效应。这称为xppp)(321xppp)(321石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应v当受到当受到y y方向作用力时，方向作用力时， 若若FyFy大于大于0 0 （拉力），则有：

5、（拉力），则有： 。FxFx小于小于0 0的的 若若FyFy小于小于0 0 （压力），则有：（压力），则有： 。FxFx大于大于0 0的情况的情况。当当晶体受到沿晶体受到沿y y方向的作用力方向的作用力时，它将时，它将在在x x轴方轴方向产生正压电效应向产生正压电效应，在，在y y和和z z方向不产生压电效应。方向不产生压电效应。这称为这称为xppp)(321xppp)(321石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应v当受到当受到z z轴方向轴方向作用力时，作用力时，石英晶体不存在压石英晶体不存在压电效应电效应。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应（2 2）石英晶体压电效应的定量分析：）石英晶体压

6、电效应的定量分析： 沿一定晶向切割的晶体切片，设其长、宽、高分沿一定晶向切割的晶体切片，设其长、宽、高分别为别为l l、t t、b b，在垂直，在垂直x x轴的晶面上镀以电极，当它轴的晶面上镀以电极，当它受到受到沿沿x x方向的应力方向的应力时，有极化强度：时，有极化强度： 且且在弹性范围内，极化强度与应力呈正比在弹性范围内，极化强度与应力呈正比，有：，有： 1./QlbttqVpPxxxblFddP.11111石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应v纵向压电效应可以写成：纵向压电效应可以写成：（其中其中q q为电量，为电量，d d为压电为压电系数系数） 或或v横向压电效应可以写成：横向压电效应

7、可以写成： 或或1111dP 1111Fdq 2121dP tlFdtlFdq/./.2112121结结 论论v输入信号（输入信号（F F）与输出信号（与输出信号（q q）呈）呈关系关系；v石英晶体的石英晶体的；v电轴的正压电效应较强；电轴的正压电效应较强；v纵向压电效应产生的电量纵向压电效应产生的电量q q与晶体尺寸与晶体尺寸无关无关；v横向压电效应产生的电量横向压电效应产生的电量q q与晶体尺寸与晶体尺寸有关有关；v正压电效应和逆压电效应两者共存。正压电效应和逆压电效应两者共存。（3 3）一般情况）一般情况 压电效应压电效应可写为：可写为： （正）（正）其中其中 为电荷面密度；为电荷面密度

8、；i=1i=1，2 2，3 3为晶体极化为晶体极化方向；方向；j=1j=16 6为晶体应力方向。为晶体应力方向。此外，此外， 是是3131阶矩阵；阶矩阵； 是是3636阶矩阵；阶矩阵； 是是6161阶矩阵。阶矩阵。jijidQSqQiji/iQijdj压电系数压电系数d d的几点说明的几点说明vd d与切割方向有关，不同的切型有不同的与切割方向有关，不同的切型有不同的d d。v物理意义：在物理意义：在“短路条件短路条件”下，单位应力产生的电下，单位应力产生的电荷荷 面密度。面密度。v短路条件：压电元件的表面电荷一经产生就立即被短路条件：压电元件的表面电荷一经产生就立即被 引开，从而晶体上的形变

9、不存在引开，从而晶体上的形变不存在“二次二次 效应效应”。（4 4）压电陶瓷中的压电效应）压电陶瓷中的压电效应v材料特点：人工制造的多晶压电材料，具有材料特点：人工制造的多晶压电材料，具有电畴电畴结结构。构。电畴电畴具有一定的极化方向，经电场处理后，陶具有一定的极化方向，经电场处理后，陶瓷内部存在很强的瓷内部存在很强的剩余极化强度剩余极化强度压电效应的内压电效应的内因。因。v该极化强度使材料表面出现束缚电荷，从而吸附了该极化强度使材料表面出现束缚电荷，从而吸附了一层一层外界自由电荷，外界自由电荷，屏蔽和抵消了束缚电荷对外界屏蔽和抵消了束缚电荷对外界的影响的影响压电效应的外因压电效应的外因。压电

10、陶瓷中压电效应的压电陶瓷中压电效应的定性分析定性分析v正压电效应正压电效应 沿极化方向受力沿极化方向受力F F 极化强度减小极化强度减小 吸附吸附的自由电荷减少的自由电荷减少（放电）；（放电）； 压力消失压力消失 极化强度加大极化强度加大 重新吸附电荷重新吸附电荷（充电）（充电） 。v逆压电效应逆压电效应 沿极化方向加一电场沿极化方向加一电场E E 极化强度加大极化强度加大 材料沿极化方向产生变形。材料沿极化方向产生变形。压电陶瓷中的压电效应压电陶瓷中的压电效应 总之，压电陶瓷中的压电效应，是由于总之，压电陶瓷中的压电效应，是由于内部内部存在存在，经处理产生，经处理产生后，在后，在下下（F o

11、r EF or E），），使陶瓷出现压电，使陶瓷出现压电效应。效应。v常用定量关系（纵向压电效应）：常用定量关系（纵向压电效应）： 即受力和极化方向为即受力和极化方向为 轴方向。轴方向。3333 dQ压电传感器的工作原理小结压电传感器的工作原理小结v石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应纵向压电效应纵向压电效应: 或或横向压电效应横向压电效应: 或或v压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应纵向压电效应纵向压电效应:v一般情况：一般情况： 是是3131阶矩阵；阶矩阵； 是是3636阶矩阵；阶矩阵； 是是6161 阶矩阵。阶矩阵。iQijdjjijidQ333dQ 2121dQ 1111dQ 1111

12、Fdq tlFdq/2121第二节第二节 压电材料压电材料v石英晶体石英晶体 1 1、介电常数和压电系数的介电常数和压电系数的温度稳定性好温度稳定性好； 2 2、为各向异性材料。为各向异性材料。v压电陶瓷压电陶瓷 1 1、压电系数高压电系数高（应用广泛）；（应用广泛）； 2 2、常用材料：钛酸钡和常用材料：钛酸钡和PZTPZT上海硅酸盐所的上海硅酸盐所的高温压电陶瓷高温压电陶瓷等等 高温压电陶瓷高温压电陶瓷 压电马达芯片压电马达芯片压电变压器压电变压器 压电马达压电马达 其它其它压电陶瓷压电陶瓷元件元件主要应用主要应用v应用：生产的锆钛酸铅、钛酸钡、偏铌酸铅、含应用：生产的锆钛酸铅、钛酸钡、偏

13、铌酸铅、含铋层状结构等压电陶瓷已广泛应用于电声器件、铋层状结构等压电陶瓷已广泛应用于电声器件、医用超声探头、水声换能器、鱼群探测器、超声医用超声探头、水声换能器、鱼群探测器、超声清洗机、流量计、高温检测等。清洗机、流量计、高温检测等。第三节第三节 测量电路测量电路 1 1、等效电路：、等效电路： 在开路时，压电材料的电容和电压可表示在开路时，压电材料的电容和电压可表示为：为： （以石英晶体纵向压电效应为例）（以石英晶体纵向压电效应为例） 所以它相当于电容器和电荷发生器。因此所以它相当于电容器和电荷发生器。因此有有电压电压和和电荷电荷两种两种等效电路等效电路。tlbtSCa/aaCqU/1 1、

14、等效电路、等效电路v压电材料压电材料电压等效电路电压等效电路 电压灵敏度电压灵敏度：v压电材料压电材料电荷等效电路电荷等效电路 电荷灵敏度电荷灵敏度：FUKau/FqKq/aaCqU/aaCUqaquCKK/电荷等效电路电荷等效电路 当传感器当传感器与前置电路相连时与前置电路相连时的电荷等效电路：的电荷等效电路： RaRa：导线和传感器的绝缘电阻；：导线和传感器的绝缘电阻； CcCc：电缆电容；：电缆电容； CiCi和和RiRi：前置级的输入电阻和电容。：前置级的输入电阻和电容。材料电荷等效电路两点说明两点说明v由于只有在外电路开路时，传感器受力后产由于只有在外电路开路时，传感器受力后产生的电

15、荷才可以保存，所以一般它生的电荷才可以保存，所以一般它。v为保证系统有一定的低频响应，一般有为保证系统有一定的低频响应，一般有欧，因此与之并联的输入电阻欧，因此与之并联的输入电阻RiRi也很也很高。高。2 2、前置级放大器、前置级放大器v作用作用：将高输出阻抗变成低输出阻抗；将高输出阻抗变成低输出阻抗；放大传感器的微弱信号；放大传感器的微弱信号；信号变换（信号变换（q Uscq Usc）。）。v形式形式： 电压放大器和电荷放大器。电压放大器和电荷放大器。（1 1）电压放大器）电压放大器v有关参数：有关参数： / ， ；压电元件受力：；压电元件受力： 对于压电陶瓷有：对于压电陶瓷有：aRR iR

16、icCCCtFFmsinFCdUaa33压电材料压电材料电压放大器电压放大器v输入信号：输入信号：v幅值：幅值：v相位：相位：v测量电路的时间常数：测量电路的时间常数：FdCCRjRjUai33.)(122233)(1)(amimCCRRFdU)(tan21icaCCCR01)(icaCCCR电压放大器电压放大器v输入幅值：输入幅值：v频率较高时的输入幅值：频率较高时的输入幅值：v相对幅频特性：相对幅频特性：v输出幅值：输出幅值：2033)/(1)(mimRFdU222)(1)()()(aciaciimimCCCRCCCRUUkimscmUAU0icamimCCCFdU33时0电压放大器的几点

17、说明电压放大器的几点说明v-3dB-3dB下限工作频率：下限工作频率：v对于一定电路的时间常数对于一定电路的时间常数 ，压电传感，压电传感器具有器具有。v电路灵敏度：电路灵敏度： 在在 时，有时，有 ，即，即。03 dBL2233)/1 ()(RCCCdFUKacimimu1/0)(33aciuCCCdK（2 2）电荷放大器）电荷放大器v特点：具有深度负反馈的高增益放大器。特点：具有深度负反馈的高增益放大器。压电材料压电材料电荷放大器电荷放大器v放大器的等效电阻和电容：放大器的等效电阻和电容：v放大器的等效阻抗：放大器的等效阻抗： /v放大器的输入电压和电流：放大器的输入电压和电流：FiCAC

18、)1 (001ARRFiiiZUi iiCjZiR电荷放大器的等效电路和输入信号电荷放大器的等效电路和输入信号v等效电路：等效电路：v输入电荷：输入电荷： tjmeqqi电荷放大器的输出电荷放大器的输出v输入电流：输入电流：v输出电压：输出电压：tjmeqjdtdqi)1 (1)1 (10000FcaFaiscCACCjRARqAjUAU电荷放大器输出的说明电荷放大器输出的说明v传感器的输出值约为：传感器的输出值约为： ；所以要；所以要求反馈电容求反馈电容 具有良好的稳定性具有良好的稳定性; v3dB3dB截止频率：截止频率：FscCqUFCFFLCR1电荷和电压放大器的性能比较电荷和电压放大

19、器的性能比较电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器3dB3dB下限频率：下限频率：3dB3dB下限频率：下限频率：输出电压：输出电压： 输出电压：输出电压： 屏蔽线必须与标定时一致！屏蔽线必须与标定时一致！屏蔽线不一定与标定时一致！屏蔽线不一定与标定时一致！必须使用屏蔽线与传感元件连接！必须使用屏蔽线与传感元件连接！0LFFLCR1FscCqUicamimCCCFdU331/L1/L第四节第四节 误差效应和补偿误差效应和补偿v环境温度的影响环境温度的影响 进行人工老化处理等。进行人工老化处理等。v湿度的影响湿度的影响进行清洁和密封。进行清洁和密封。v噪声噪声 包括电缆噪声和接地噪声。包括电缆

20、噪声和接地噪声。第五节第五节 压电传感器的应用压电传感器的应用 1 1、压电式加速度传感器压电式加速度传感器 v特点：具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命特点：具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。长等优异的特点。 v应用：在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的应用：在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和振动和冲击测量冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。宇航领域中更有它的特殊地位。压电式加速度传感器压电式加速度传感器v工作原理工作原理: : 有惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为有惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷

21、为: :表明电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电表明电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。材料压电系数和质量块质量有关。 v实际工作方式实际工作方式: : 一般压电片的连接方式有两种一般压电片的连接方式有两种- -并联和串联并联和串联. .有有: : , madFdq3333 CC;UU;q q22 CC;UU;q q212 压电式加速度传感器压电式加速度传感器v说明说明: : 在两种接法中，在两种接法中，并联接法并联接法输出电荷大，时输出电荷大，时间常数大，间常数大，宜用于测量缓变信号宜用于测量缓变信号，并且适用于，并且适用于以电荷作为输出量的场合。而

22、以电荷作为输出量的场合。而串联接法串联接法，输出，输出电压大，本身电容小，电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出适用于以电压作为输出信号，信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。且测量电路输入阻抗很高的场合。 压电式加速度传感器压电式加速度传感器v动态响应动态响应 压电式加速度传感器可用质量，弹簧、阻压电式加速度传感器可用质量，弹簧、阻尼的二阶系统来模拟尼的二阶系统来模拟. .设被测振动体位移设被测振动体位移 ，质量块相对位移质量块相对位移 ，则质量块与被测振动体，则质量块与被测振动体的相对位移为的相对位移为 ，根据牛顿第二定律，有，根据牛顿第二定律，有: : 0 xmxix20200202dt

23、xd)xx(mkdt)xx(dmcdt)xx(dmmm 20020021 DDaxxmkmc2 mk 0 压电式加速度传感器压电式加速度传感器频率传递函数，有频率传递函数，有: :幅频特性为幅频特性为: : 相频特性相频特性: :20202000)(211axxm 18012200 arctanj)j(axxm 0202000211 压电式加速度传感器压电式加速度传感器v主要性能主要性能: :压电式加速度传感器灵敏度压电式加速度传感器灵敏度 当被测体振动频率远小于传感器固有频率当被测体振动频率远小于传感器固有频率时，传感器的相对灵敏度为常数，有时，传感器的相对灵敏度为常数，有: : 20220

24、2033021 ykdaq20330 ykdaq 压电式加速度传感器压电式加速度传感器v两点说明两点说明: :由于传感器固有频率很高，因此频率范围较宽，由于传感器固有频率很高，因此频率范围较宽，一般在几一般在几HzHz到几千到几千HzHz。 传感器低频响应与前置放大器有关。若采用电压传感器低频响应与前置放大器有关。若采用电压前置放大器，那么低频响应将取决于变换电路的前置放大器，那么低频响应将取决于变换电路的时间常数。前置放大器输入电阻越大，则传感器时间常数。前置放大器输入电阻越大，则传感器下限频率越低。下限频率越低。 第五节第五节 压电传感器的应用压电传感器的应用压电薄膜交通传感器压电薄膜交通

25、传感器 v应用应用 美国美国MSIMSI公司经过多年研究，开发出的一种传感公司经过多年研究，开发出的一种传感器，器，用于检测车速、动态称重（用于检测车速、动态称重（WIMWIM）、收费站地）、收费站地 磅、闯红灯拍照、停车区域监控及交通信息采集磅、闯红灯拍照、停车区域监控及交通信息采集（道路监控）等领域。可获取精确的、具体的数据，（道路监控）等领域。可获取精确的、具体的数据，如精确速度信号、分类信息和长期反馈交通信息统如精确速度信号、分类信息和长期反馈交通信息统计数据。计数据。 压电薄膜交通传感器压电薄膜交通传感器v压电薄膜交通传感器是由金属芯线、压电材料压电薄膜交通传感器是由金属芯线、压电材

26、料（VDF-TrFEVDF-TrFE）和金属外壳组成）和金属外壳组成 ；v安装方式：安装方式：产品主要特性产品主要特性 v芯线：芯线：16AWG 16AWG 扁平编织镀银铜芯线扁平编织镀银铜芯线；v外形尺寸外形尺寸: 6.6mm6.6mm宽宽 x 1.6mmx 1.6mm厚；厚；v芯线与屏蔽层间的绝缘电阻：芯线与屏蔽层间的绝缘电阻：500M500M欧；欧；v输出一致性：传感器长度方向的输出一致性在输出一致性：传感器长度方向的输出一致性在用于动态称重（用于动态称重（WIMWIM）时为）时为7%7%，用于其它用，用于其它用途，如车辆分类统计、车速监测、闯红灯拍照途，如车辆分类统计、车速监测、闯红灯

27、拍照等时为等时为20%20%。v工作温度范围：工作温度范围：-40 80 -40 80 （1 1）车速监测）车速监测 通常在每条车道上安装两条传感器，当轮胎通常在每条车道上安装两条传感器，当轮胎经过传感器经过传感器A A时，启动电子时钟，当轮胎经过时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器传感器B B时，时钟停止。两个传感器之间的距时，时钟停止。两个传感器之间的距离一般是离一般是3 3米，或比米，或比3 3米短一些（可根据需要确米短一些（可根据需要确定）。由此可得出车速。定）。由此可得出车速。 根据德国根据德国PTFPTF的报告，当汽车以的报告，当汽车以200200公里公里/小小时的匀速行驶时，测量精度可达到时的匀速行驶时，测量精度可达到