第六章压电式传感器

1、第六章：压电式传感器第六章：压电式传感器主讲人：贾鹤萍主讲人：贾鹤萍 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的电介质的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在电介质为基础，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。表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以测量最终能，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、振动加速度等，但不能用于静态参数不能用于静态参数的测量。的测量。 压电式传感

2、器具有体积小、质量轻、频响高、信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。、可靠性、稳定性高。 1680年：石英晶体的压电效应被发现年：石英晶体的压电效应被发现1948年：制作出第一个石英传感器。年：制作出第一个石英传感器。1948年之后：更多具有压电效应的材料年之后：更多具有压电效应的材料被发现。如：单晶、多晶陶瓷材料。被发现。如：单晶、多晶陶瓷材料。近几年：有机高分子聚合材料。近几年：有机高分子聚合材料。 如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机如对晶体施加一定变电场，晶体本身将

3、产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压逆压电效应（电致伸缩效应）电效应（电致伸缩效应） 。1、工作原理、工作原理-压电效应压电效应 某些晶体或多晶体陶瓷，当沿着一定方向受到某些晶体或多晶体陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，晶体受力所产生的电表面上产生符号相反的电荷，晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；当外力去掉后，又恢复荷量与外力的大小成正比；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性到不带电状态；当作用力方向改

4、变时，电荷的极性也随着改变。上述现象称为也随着改变。上述现象称为正压电效应正压电效应。-压电式传感器压电式传感器-电声和超声工程中利用电声和超声工程中利用 图图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式压电转换元件受力变形的几种基本形式返回返回1、工作原理、工作原理-压电效应压电效应压电传感器中的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：经过极化处理的压电陶瓷；经过极化处理的压电陶瓷；压电晶体（如上述的石英晶体）；压电晶体（如上述的石英晶体）；高分子压电材料。高分子压电材料。1、工作原理、工作原理-压电效应压电效应|X轴为电轴，该轴压轴为电轴，该轴压电效应最为显著（三电效应

5、最为显著（三个）个）图图6-2 石英晶体的外形和晶轴石英晶体的外形和晶轴天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，|Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体轴通过晶体不产生双折射现象。不产生双折射现象。|Y轴为机械轴，此轴轴为机械轴，此轴加压力产生形变最大加压力产生形变最大（三个）（三个）1、工作原理、工作原理-石英晶体石英晶体|石英的化学式为石英的化学式为SiO2，不受外力时不受外力时，形成三个互，形成三个互成成120度夹角的电偶极矩。其矢量和等于零。度夹角的电偶极矩。其矢量和等于零。|当受到沿当受到沿X方向的压力作用时，合方向的压

6、力作用时，合偶极矩方向向上，偶极矩方向向上，X轴正向的晶体轴正向的晶体表面出现正电荷，反向表面出现负表面出现正电荷，反向表面出现负电荷。电荷。|当受到沿当受到沿Y方向的压力作用时，合方向的压力作用时，合偶极矩方向向下，偶极矩方向向下，X轴正向的晶体轴正向的晶体表面出现负电荷，反向表面出现正表面出现负电荷，反向表面出现正电荷。电荷。-纵向压电效应纵向压电效应-横向压电效应横向压电效应1、工作原理、工作原理-石英晶体石英晶体|当受到沿当受到沿Z方向的压力作用时，三方向的压力作用时，三个电偶极矩同时沿个电偶极矩同时沿Z轴平移，矢量轴平移，矢量和等于零，无压电效应。和等于零，无压电效应。|当受到各个方

7、向作用大小相等的力当受到各个方向作用大小相等的力时，使之体积变形，也无压电效应。时，使之体积变形，也无压电效应。|石英晶体具有良好的厚度变形和长石英晶体具有良好的厚度变形和长度变形压电效应，但没有体积变形度变形压电效应，但没有体积变形压电效应压电效应返回返回1、工作原理、工作原理-石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形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双面镀银并封装并封装 压电陶瓷是一种多晶铁电体，是人工制造的多晶压电陶瓷是一种多晶铁电体，是人工制造的多晶压电材料，比石英晶体的压电灵敏度高得多，制造成压电材料，比石英晶体的压电灵敏度高得多，制造成本却较低，

8、目前国内外生产的压电元件绝大多数都采本却较低，目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷用压电陶瓷 。1、工作原理、工作原理-压电陶瓷压电陶瓷 极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正、负度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正、负电荷，压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显，将极电荷，压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显，将极化方向定义为化方向定义为Z Z轴，垂直于轴，垂直于Z Z轴的平面上任意直线都可轴的平面上任意直线都可作为作为X X轴或轴或Y Y轴。轴。1、工作原理、工作原理-压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷

9、外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 高分子材料属于有机分子半结晶或结晶的聚合高分子材料属于有机分子半结晶或结晶的聚合物，其压电效应比较复杂。典型的高分子压电材料物，其压电效应比较复杂。典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（有聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯乙烯（、改性聚氯乙烯（PVCPVC）等。）等。 它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜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，价格便大量连

10、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，测量动态范围可达宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB80dB。1、工作原理、工作原理-高分子材料高分子材料高分子压电薄膜及拉制 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 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应） 压电元件受到力压电元件受到力F作用时，在相应的表面产作用时，在相应的表面产生电荷生电荷Q。dFQ其中：其中：d为压电系数为压电系数其中：其中： 表示电荷的表面密度，单位为：表示电荷的表面密度，单位为： 单位面积上的作用力，单位为：单位面积上的作用力，单位为： 2cmc2cmNdq

11、qjijijdqi：表示极化方向：表示极化方向 j：表示单向应力方向：表示单向应力方向1、工作原理、工作原理-压电方程和压电常数压电方程和压电常数jijijdqi表示在表示在i平面上产生电荷，平面上产生电荷，i=1、2、3分别表示在表面垂分别表示在表面垂直与直与X，Y或或Z轴晶体表面，轴晶体表面，j=1、2、3表示在沿表示在沿X，Y、Z轴方向作用的单向应力，轴方向作用的单向应力，j=4、5、6表示晶体在垂直于表示晶体在垂直于X、Y、Z轴的平面上承受剪轴的平面上承受剪切应力。切应力。16d31d表示沿表示沿X轴方向作用的单向应力，使垂直于轴方向作用的单向应力，使垂直于Z轴的表面产生电荷轴的表面产

12、生电荷表示垂直于表示垂直于Z轴的平面的剪切力，使垂直于轴的平面的剪切力，使垂直于X轴的表面产生电荷轴的表面产生电荷拉应力为正，压应力为负；自旋转轴的正向看去使其一、拉应力为正，压应力为负；自旋转轴的正向看去使其一、三象限的对角线伸长的为剪切力的正号（右手螺旋规则）三象限的对角线伸长的为剪切力的正号（右手螺旋规则）1、工作原理、工作原理-压电方程和压电常数压电方程和压电常数321qqq1615141312111qqqqqqq6165154143132121111ddddddq6265254243232221212ddddddq6365354343332321313ddddddq任意一个压电材料可

13、能产生电荷的表面有三种任意一个压电材料可能产生电荷的表面有三种：654321363534333231262524232221161514131211321ddddddddddddddddddqqqD压电常压电常数矩阵数矩阵1、工作原理、工作原理-压电方程和压电常数压电方程和压电常数 363534333231262524232221161514131211ddddddddddddddddddD 矩阵的每一行表示，压电元件分别受到矩阵的每一行表示，压电元件分别受到X，Y、Z轴向轴向的正应力，或垂直于的正应力，或垂直于X、Y、Z轴的平面内的剪切力的轴的平面内的剪切力的作用时，在垂直于作用时，在垂直于

14、X、Y、Z轴表面产生电荷的可能性轴表面产生电荷的可能性与大小。与大小。 dij为零时，表示该方向上没有压电效应。为零时，表示该方向上没有压电效应。 Dij为绝对值的大小，表示了压电效应的显著程度。为绝对值的大小，表示了压电效应的显著程度。1、工作原理、工作原理-压电方程和压电常数压电方程和压电常数 00000000000002625141211dddddD石英晶体的压电常数矩阵为：石英晶体的压电常数矩阵为：由于晶格的对称性由于晶格的对称性1126142511122dddddd 000000200000001114141111dddddDNCdNCd/1073. 0/1031. 21214121

15、1左旋石英晶体受拉力左旋石英晶体受拉力时取正号，受压时值时取正号，受压时值取负号；右旋石英晶取负号；右旋石英晶体相反。体相反。1、工作原理、工作原理-压电方程和压电常数压电方程和压电常数 00000000000003332312415dddddD钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为：钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为：NCddNCdddNCd/10250/107841. 0/10190122415123332311233纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应体积压电效应体积压电效应剪切压电效应剪切压电效应1、工作原理、工作原理-压电方程和压电常数压电方程和压电常数 选用合适的压电材料是设计高性

16、能传感器的关键。一般应选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面：考虑以下几个方面： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。频率。 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频

17、特性。 温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点，以期望得温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点，以期望得到宽的工作温度范围。到宽的工作温度范围。 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。2、压电材料、压电材料电荷源：电荷量电荷源：电荷量 Q电容器：电容电容器：电容CasCra0s ：极板面积极板面积 r ：压电材料相对介电常数压电材料相对介电常数 0 ：真空介电常数真空介电常数 ：压电元件厚度压电元件厚度aCQU 电压源：电压电压源：电压 U电容器：电容电容器：电容Ca3、等效电路、等效电路电缆电容：电缆电容：放大器输入电阻：放大器输入电阻：放大器输入电容：放大器输

18、入电容：压电传感器的绝缘电阻：压电传感器的绝缘电阻：cCiRiCaR3、等效电路、等效电路 与压电元件配套的测量电路的前置放大器有两与压电元件配套的测量电路的前置放大器有两种形式：种形式： 作为与压电式传感器配套的测量电路，通常是作为与压电式传感器配套的测量电路，通常是先将传感器的信号输入到先将传感器的信号输入到高输入阻抗高输入阻抗的的前置放大器前置放大器。电压放大器：其输出电压与输入电压电压放大器：其输出电压与输入电压(压电式传感器压电式传感器的输出电压的输出电压)成正比。成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷电荷放大器：其输出电压与输入电荷(压电式传感器压电式传感器的输出电荷的输出电荷)

19、成正比。成正比。放大压电式传感器输出的微弱信号，放大压电式传感器输出的微弱信号，把压电式传感器的高输出阻抗变换低阻抗输出把压电式传感器的高输出阻抗变换低阻抗输出4、测量电路、测量电路iaiaiaRRRRRRR/icicCCCCC/aCQu/tFFmsin设压电元件上受到一个交变力设压电元件上受到一个交变力tFdFdqmsin3333假设压电元件的材料为压电陶瓷，其压电常数为假设压电元件的材料为压电陶瓷，其压电常数为33duCCRjRCjuaai1amaCtFdCqu/sin/33tFdCCRjRjmasin133tFdRCjRjmsin133aicCCCC4、测量电路、测量电路-电压放大器电压

20、放大器tFdRCjRjumisin1332331CRRFdUmimRCiarctan2当当R无限大时无限大时CFdUmm33电压幅值比：电压幅值比：12CRRCUUmim11RC1211mimUU1arctan2i4、测量电路、测量电路-电压放大器电压放大器图图6-10 电压幅值比和相电压幅值比和相角频率比的关系曲线角频率比的关系曲线1211mimUU1arctan2i当作用在压电元件上的力为静当作用在压电元件上的力为静态力时，前置放大器的输入电压态力时，前置放大器的输入电压为零。为零。从原理上决定了传感器不从原理上决定了传感器不能用于静态物理量的测量。能用于静态物理量的测量。当当 时，电压幅

21、值比时，电压幅值比趋近于趋近于1，可以近似看做前置，可以近似看做前置放大器的输入电压与频率无关，其值越接近于理想情况下放大器的输入电压与频率无关，其值越接近于理想情况下的输入电压。表明传感器的高频响应比较好。的输入电压。表明传感器的高频响应比较好。314、测量电路、测量电路-电压放大器电压放大器图图6-10 电压幅值比和相电压幅值比和相角频率比的关系曲线角频率比的关系曲线1211mimUU1arctan2i当被测量是缓慢变化的动态量，当被测量是缓慢变化的动态量，为了扩大传感器的低频响应范围，为了扩大传感器的低频响应范围，需减小需减小 的值。的值。1提高电阻（传感器的绝缘电阻和放提高电阻（传感器

22、的绝缘电阻和放大器的输入电阻）大器的输入电阻）增加电容（传感器电容、电缆电容：增加电容（传感器电容、电缆电容：放大器输入电容）放大器输入电容）RC11aicCCCCiaRRR/4、测量电路、测量电路-电压放大器电压放大器1233CRRdFUkmimu1233CRRFdUmim22331RCd1RCd33增加回路电容，会导致传感器的灵敏度的下降。因此，增加回路电容，会导致传感器的灵敏度的下降。因此，一般通过提高测量回路的电阻来改善低频响应范围。一般通过提高测量回路的电阻来改善低频响应范围。传感器实际灵敏度与电缆电容相关，因此，电缆不宜传感器实际灵敏度与电缆电容相关，因此，电缆不宜太长，且不能随意

23、更换电缆。太长，且不能随意更换电缆。4、测量电路、测量电路-电压放大器电压放大器 电荷放大器实际上是一个具有电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈深度负反馈的的高高增益运算放大器增益运算放大器。 电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。作用，只是一种习惯叫法。4、测量电路、测量电路-电荷放大器电荷放大器图图6-11 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路FicaCKCCjCKQU)1 (0当当K足够大时，足够大时，FFicaKCCCCCFCQU0 输出电压正比于输入

24、电荷，输出与输入反向，而且输出输出电压正比于输入电荷，输出与输入反向，而且输出灵敏度不受电缆分布电容的影响。灵敏度不受电缆分布电容的影响。FicaiCKCCCQU)1 ( 4、测量电路、测量电路-电荷放大器电荷放大器一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1) 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。 粘贴粘贴位置位置5、应用举例、应用举例 将长的压电电缆埋在泥将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，

25、可起分布式土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探用，可在几十米范围内探测人的步行测人的步行, 对轮式或履带对轮式或履带式车辆也可以通过信号处式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。测量系统的输出波形。2)压电式周界报警系统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）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）5、应用举例、应用举例高分子压电电缆的应用演示 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分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）、车速类信息（包

26、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。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。3)交通监测 3)交通监测 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于，平行埋设于柏油公路的路面下约柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。定汽车的车型。 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 二、压电陶瓷

27、传感器的应用 5、应用举例、应用举例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压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力1）非线性）非线性 压电传感器的幅值线性度是指被测物理量压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、如力、压力、加速度等加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。的增加，其灵敏度的变化程度。 图图6-17 压电加速度传感器的幅值线性度曲线压电加速度传感器的幅值线性度曲线 影响因素：影响因素： 一是压电转换元件的弹性一是压电转换元件的弹性极限和线性响应极限；极限和线性响应极限； 二是压电加速度传感器二是压电加速度传感器的额定预载荷极限。的额定预载荷极限。6、影响压电式传感器精度的因素分析、影响压电式传感器精度的因素分析2）横向灵敏度）横向灵敏度 压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向轴向灵敏度方向)垂直的单垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵位加