第五章 压电式传感器

1、 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介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。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。速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比压电式传感器具有体积小、质量轻、

2、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、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。稳定性高。 第五章第五章 压电式传感器压电式传感器1 1、压电效应、压电效应正压电效应正压电效应（顺压电效应顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也

3、随着改变。逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：）：当在电介质的极化方向施加当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应一、工作原理一、工作原理（）石英晶体的压电效应（）石英晶体的压电效应 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电当力的方向改变时，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，压的频率与动

4、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。电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电效应演示压电效应演示 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 (b)(a)硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+-YXXY+ 当作用力当作用力F FX X=0=0时，正、负离子（即时，正、负离子（即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三

5、个互成正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120120夹角夹角的偶极矩的偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如图（，如图（a a）所示。此时正负电荷）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 (a) FX=0Y+-XP1P2P3当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的压力（方向的压力（F FX X000在在Y Y、Z Z方向上的分量为方向上的分量为（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Z Z=0=0由上式看出

6、，在由上式看出，在X X轴的正向出现正电荷，轴的正向出现正电荷，在在Y Y、Z Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P3（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ 当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为:在在X X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、Z Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。 FXFX+ + + + + +(a

7、)(b)XX压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（极化强度为零，见图（a a）。）。 直流电场E剩 余 极 化 强度剩

8、余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 （）（） 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以极化强度总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些，

9、在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。测出陶瓷片内的极化程度，如图。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F F，如图，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内

10、的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状消后，陶瓷片恢复原状( (这是一个膨胀过程这是一个膨胀过程) )，片内的正、负电，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正

11、压电效应。或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反

12、，则陶瓷片沿极化方向产如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。变为机械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） 极化方向电场方向 由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在由于陶瓷内部存在自发极化自发极化。这些自发极化经过。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界

13、的作用（如压力或电场剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电极化电荷是束缚电荷荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。极面上自由电荷的释放或补充的结果。二、常见的压电材料二、常见的压电材料压电传感器中的

14、压电元件材料一般有三类：压电传感器中的压电元件材料一般有三类：（1 1）压电晶体）压电晶体 如石英；如石英；（2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 如钛酸钡、锆钛酸铅等如钛酸钡、锆钛酸铅等（3 3）高分子压电材料）高分子压电材料 如硫化锌、碲化镉等如硫化锌、碲化镉等石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装（2）压电陶瓷）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英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前国内

15、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（常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。 压电陶瓷外形压电陶瓷外形无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形（三）高分子压电材料（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典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯乙）、改性聚氯乙烯（烯（PVCPVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据）等。它是一种柔软的压电材料

16、，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，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，或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达测量动态范围可达80dB80dB。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器三、三、 压电传感器的测量转换电路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和反馈电荷放大器的输出

17、电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电容有关，电缆长度等因素的影响很小：of QuC 电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换电荷转换为电压（为电压（Q/UQ/U转换器），但并无放大电荷的作用，转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。只是一种习惯叫法。（一）压电晶体等效电路（一）压电晶体等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个器看成一个静电发

18、生器静电发生器，如图，如图( (a a) )。也可把它视为两极板上聚集。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的异性电荷，中间为绝缘体的电容器电容器，如图，如图(b)(b)。其电容量为。其电容量为 压电传感器的等效电路 qq电极压电晶体Ca(b)(a)当两极板聚集异性电荷当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定时，则两极板呈现一定的电压，其大小为的电压，其大小为tStSCra0eee=aaqUC=因此，压电传感器可等效为电压源因此，压电传感器可等效为电压源U Ua a和一个电容器和一个电容器C Ca a的的串联串联电路，如图电路，如图( (a a) )；也可等效为一个电荷源；也可等效为

19、一个电荷源q q和一个电容器和一个电容器C Ca a的的并联并联电路，如图电路，如图( (b b) )。 qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路压电传感器等效原理传感器内部信号电荷无传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电路负载，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没利，必然带来误

20、差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。因此，压电晶体不适合于静态测量。如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiq压电传感器的压电传感器的完整等效电路完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻可见，压电传感器的绝缘电阻可见，压电传感器的绝缘电阻R Ra

21、 a与前置放大器的与前置放大器的输入电阻输入电阻R Ri i相并联。为保证传感器和测试系统有相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在电阻应保待在10101313以上，才能使内部电荷泄漏以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。荷将通过输入电

22、路泄漏，即产生测量误差。 （二）（二） 测量电路测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：u把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；u放大压电式传感器输出的弱信号放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式：前置放大器形式：u电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压），其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；成正比；u电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。，其输出电压与输入电荷成正比。 1 1、电压放大器、电压放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(

23、a)(b)Ua 2 2、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益本电路如图。若放大器的开环增益A A0 0足够大，并且放大器的输入足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路回路C CF F与与R RF F。由图可知。由图可知i i的表达式为：的表达式为： 电荷放大器原理电路图A0CaUUSCiRaqCFRF()+=SFFSCRCjUUi1w()+=SSFFRCjUAU10w()()+=

24、SFFRACAjU11100w根据上式画出等效电路图根据上式画出等效电路图A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。电导1RF也增大了(1A0)倍。所以图中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，这就是所谓“密勒效应”的结果。运放输入电压运放输入电压()()FaFaCACjRARqjU001111+=Sww&()()FaFaSCCACjRARAqjUAU00001111+=Sww&输出电压输出电压当当A A0 0足够大时足够大时, ,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因

25、此输出电压器的输出。因此输出电压U USCSC只决定于输入电荷只决定于输入电荷q q及反馈回路的参及反馈回路的参数数C CF F和和R RF F。由于。由于1 1R RF FCCF F, ,则则可见当可见当A A0 0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A A0 0无关，只取决于输入电荷无关，只取决于输入电荷q q和和反馈电容反馈电容C CF F，改变，改变C CF F的大小便可得到所需的电压输出。的大小便可得到所需的电压输出。 C CF F一般取一般取值值100-10100-104 4pFpF。()()FcaFaSCCACCjRARAqjU0001111+=ww&()FFSCCq

26、CAqAU+001若考虑电缆电容若考虑电缆电容C Cc c，则有，则有（三）（三） 常见的电荷放大器常见的电荷放大器四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器、振动的基本概念、振动的基本概念振动可分为机械振动、土木结构振动、运输振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。工具振动、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。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

27、为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。周期振动、非周期振动以及随机振动等。 四、压电式测振传感器及其应用四、压电式测振传感器及其应用地震的巨大威力地震的巨大威力 地震波形地震波形、压电式振动加速度传感器的结构及外形、压电式振动加速度传感器的结构及外形 横向振动横向振动测振器测振器纵向振动纵向振动测振器测振器、压电振动加速度传感器在汽车中的应用、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

28、量使点火时刻接近爆震区装在气缸的侧壁上，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而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。扭矩。 爆震波形爆震波形 汽车发动机中的气缸点火时刻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，就可间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到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。充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲就会产生冲击波，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，可用压电传感器等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。检测并控制之。 爆震测量爆震测量、振动的频谱分析仪器、振动的频谱分析仪器 时域图形时域图形 测量时域图形用的是示波器，测量频域图形测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪。用频谱仪。爆破振动记录仪爆破振动记录仪打印机打印机、高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器、高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器 将厚约将厚约0.2mm0.2mm左右的左右的PVDFP