ch7-压电式传感器--吴华伟

1、n压电式传感器是一种利用了某些物质所具有的压电效应，既可以把机械能机械能(力、压力等)转换成电能电能(电荷、电压等)，也可以将电能转换成机械能的可可逆能量转换器逆能量转换器。第7章 压电式传感器压 电 元 件机 械 量电 量 压电效应可逆性 某些晶体某些晶体(如石英等如石英等)在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发在一定方向的外力作用下，不仅几何尺寸会发生变化，而且晶体内部会产生生变化，而且晶体内部会产生极化现象极化现象，晶体表面上有电荷出现，形成，晶体表面上有电荷出现，形成电场。当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为电场。当外力去除后，表面又恢复到不带电状态，这种现象被称为压

2、电压电效应效应。具有这种性质的材料，称为。具有这种性质的材料，称为压电材料压电材料。 7.1 压电效应 若将压电材料置于电场之中，其几何尺寸也会发生变化。这种由若将压电材料置于电场之中，其几何尺寸也会发生变化。这种由于外电场作用下，导致压电材料产生机械变形的现象，称为于外电场作用下，导致压电材料产生机械变形的现象，称为逆压电效逆压电效应应或或电致伸缩效应电致伸缩效应。7.1 压电效应 常见的压电材料主要有常见的压电材料主要有石英晶体、水溶性压电晶体、石英晶体、水溶性压电晶体、铌酸锂晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料铌酸锂晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，其中压电陶瓷在汽车上

3、的应用较多。等，其中压电陶瓷在汽车上的应用较多。7.1 压电效应7.1 压电效应（一）石英晶体（二）压电陶瓷（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常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiO3等）。等）。 7.1 压电效应（三）高分子压电材料（三）

4、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（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVC）等。）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，成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达测量动态范围可达80dB。7.1 压电效应 作为换能材料使用，如音响元件和控

5、制位移元件的制备。作为换能材料使用，如音响元件和控制位移元件的制备。前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦前者比较常见的例子是超声波诊断仪的探头、声纳、耳机、麦克风、电话、血压计等装置中的换能部件。克风、电话、血压计等装置中的换能部件。7.1 压电效应（三）高分子压电材料（三）高分子压电材料 压电材料的主要特性参数：压电材料的主要特性参数： 压电常数压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度 弹性常数弹性常数：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性。 介电常数介电常数:介电常数是指物质保持电荷的能力 。对于一定形状、尺寸的压电

6、元件，其固有电容与介电常数有关；7.1 压电效应电阻电阻：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。 机械耦合系数机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 居里点温度居里点温度：它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 7.1 压电效应7.1 压电效应 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器， 晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质， 则其电容量为 ：dACra0A压电片的面积；d压电片的厚度；r压电材料相对介电常数。q 电荷

7、量F 作用力D 压电系数1、压电式传感器的等效电路、压电式传感器的等效电路7.2 工作特性DFq 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 aaCqU 压电元件的等效电路（a） 电压源; （b） 电荷源 7.2 工作特性压电传感器的灵敏度也有两种表示方式。单位外力作用下产生的电荷表示，称为电荷灵敏度电荷灵敏度Sq；用单位外力作用下产生的电压表示，称为电压灵敏度电压灵敏度Se；二者关系用下式表示：7.2 工作特性DFqSqFeSeeqCSS 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri , 输入电容Ci以及压电传感器的泄

8、漏电阻Ra，如图所示。 图3.4-4 压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)7.2 工作特性 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。 7.2 工作特性并联接法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场合； 串联接法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场合。 u压电传感器本身的内阻抗很高，而

9、输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器高输入阻抗前置放大器。 u前置放大器作用：1) 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出； 2) 把传感器的微弱信号进行放大。u压电传感器的输出可以是电压信号电压信号，也可以是电荷信号电荷信号。u前置放大器也有两种形式：电压放大器、电荷放大器电压放大器、电荷放大器。7.3 测量电路电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）nR=ReRi/(Re+Ri) nC=Cc+Ci, ua=q/Ca7.3 测量电路若压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，则其电压为 tUtCDFUmamasinsinUm压电元件输出电压幅值，Um=DF

10、m/Ca； D压电系数。 7.3 测量电路电荷放大器电荷放大器 AuoCiqCaCeCr电荷放大器等效电路 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流。 7.3 测量电路由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 ficaoCACCCAqU)1 ( 通常A=104108，当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为： foCqU7.3 测量电路u电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比；u采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度

11、也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。u 在实际电路中，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100104pF。 压电式传感器的优点压电式传感器的优点 尺寸小、结构简单、重量轻、工作可靠、频率响应范围宽。尺寸小、结构简单、重量轻、工作可靠、频率响应范围宽。压电式传感器的应用压电式传感器的应用 （1 1）压力、应力、振动、加速度；）压力、应力、振动、加速度； 2 2）发动机内部的燃烧压力及其真空度、车轮接地压力。）发动机内部的燃烧压力及其真空度、车轮接地压力。7.4 工程应用7.4 工程应用7.4.1 7.4.1 压电式测力传感器压电式测力传感器 采用双片或多片石英晶片作压电元件。它刚度大，测量范

12、围宽，线性及稳定性高，动态特性好。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。7.4 工程应用7.4.2 7.4.2 测表面粗糙度测表面粗糙度7.4 工程应用7.4.3 7.4.3 压电引爆压电引爆7.4 工程应用7.4.4 7.4.4 煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置7.4 工程应用7.4.5 7.4.5 汽轮发电机工况检测系统汽轮发电机工况检测系统 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 压电式加速度传感器，它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 7.4 工程应用7.4 工程应用7.4.6 7.4.6 压电式料位测量

13、系统压电式料位测量系统n1）非共振型压电式爆震传感器7.5 压电式传感器在汽车上的应用7.5.1 7.5.1 压电式爆震传感器压电式爆震传感器n2）共振型压电式爆震传感器7.5 压电式传感器在汽车上的应用7.5.1 7.5.1 压电式爆震传感器压电式爆震传感器7.5 压电式传感器在汽车上的应用7.5.1 7.5.1 压电式爆震传感器压电式爆震传感器7.5 压电式传感器在汽车上的应用7.5.2 7.5.2 压电式电控悬架载荷传感器压电式电控悬架载荷传感器7.5 压电式传感器在汽车上的应用7.5.3 7.5.3 燃油压力传感器燃油压力传感器 压力传感器的作用压力传感器的作用是以足够的精度，在相对较短