第07章 压电式传感器

1、江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院第七章第七章 压电式传感器压电式传感器 压电效应压电效应 压电材料压电材料 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式 等效电路等效电路 测量电路测量电路 压电式传感器应用举例压电式传感器应用举例本章内容：本章内容：测试技术基础测试技术基础江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院正压电效应正压电效应 某些物质在一定方向受到压力或拉力作用而发生改某些物质在一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉后，它们又变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应重新回到不带电的

2、状态，这种现象称为正压电效应逆压电效应逆压电效应 在压电材料的两个电极上加以交流电压，压电片会在压电材料的两个电极上加以交流电压，压电片会产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应电致伸缩效应”，也称，也称“逆逆压电效应压电效应”。压电效应压电效应 ( piezoelectric effect )7.1 压电效应压电效应可逆型换能器可逆型换能器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示机械能机械能电能电能7.1 压电效应压电效应江苏科

3、技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院常见的压电材料分为三类常见的压电材料分为三类：1)1)单晶压电晶体单晶压电晶体( (如石英、酒石酸钾钠等如石英、酒石酸钾钠等) )2)2)多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷( (如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等 ) )3)3)高分子材料高分子材料( (聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF) ) )。7.1 压电效应压电效应江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应理想形状理想形状：7.1 压电效应压电效应江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院7.1 压电效应压电效应江苏科

4、技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院7.1 压电效应压电效应压电效应作用方向图压电效应作用方向图 例：石英晶体的压电效应例：石英晶体的压电效应xxxFdq11晶片在电轴晶片在电轴x-x方向上受到压应力：方向上受到压应力：结论：当石英晶体切片受结论：当石英晶体切片受x向压力作用时，所产生的电向压力作用时，所产生的电荷量荷量qxx与作用力与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。成正比，但与切片的几何尺寸无关。 江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院7.1 压电效应压电效应在横向在横向 (y-y) 施加作用力施加作用力yxyxyFlldq11结论：当沿着机轴结论：当沿着机轴y-y

5、方向施加压力时，产生的电荷方向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴轴x-x方向加压力时产生的电荷极性相反方向加压力时产生的电荷极性相反(式中负号式中负号)。 江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院压电元件材料一般有三类：压电元件材料一般有三类： (1) 单晶压电晶体（如上述的石英晶体）单晶压电晶体（如上述的石英晶体） (2) 多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷(3) 新型压电材料新型压电材料 - 压电半导体压电半导体 - 高分子压电材料高分子压电材料7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学

6、院江苏科技大学机械工程学院1. 石英晶体石英晶体 一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数d112.3110-12C/N；莫氏硬度为莫氏硬度为7、熔点为、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达固有频率高、动态特性好、工作温度高达550(压电压电系数不随温度而改变系数不随温度而改变)、工作湿度高达、工作湿度高达100%、稳定性、稳定性好。好。7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学

7、院x轴：电轴或轴：电轴或1轴；轴；y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴；轴；z轴：光轴或轴：光轴或3轴。轴。 “纵向压电效应纵向压电效应”：沿：沿电轴电轴(x轴轴)方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”：沿：沿机械轴机械轴(y轴轴)方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷在在光轴光轴(z轴轴)方向有作用力时，不会产生压电效应。方向有作用力时，不会产生压电效应。7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院天然石英晶体外形天然石英晶体外形1. 石英晶体石英晶体7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技

8、大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院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7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振石英晶体在振荡电路中工作荡电路中工作时，压电效应时，压电效应与逆压电效应与逆压电效应交替作用，从交替作用，从而产生稳定的而产生稳定的振荡输出振荡输出晶振晶振7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院2. 压电陶瓷压电陶瓷人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。人工制造的多晶体，压电

9、机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化（a）未极化的陶瓷）未极化的陶瓷 （b）正在极化的陶瓷）正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶瓷）极化后的陶瓷7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院常见压电陶瓷：常见压电陶瓷：(1) 钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英(2) 锆钛酸铅锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷系压电陶瓷(PZT)压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件变化小，在锆

10、钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，件变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的可以获得不同性能的PZT材料。材料。(3) 铌镁酸铅铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷压电陶瓷(PMN)具有较高的压电系数，在压力大至具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续仍能继续工作，可作为高温环境中测力传感器。工作，可作为高温环境中测力传感器。7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院压电陶瓷外形压电陶瓷外形7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学

11、机械工程学院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（上海硅酸盐研究所研制）（上海硅酸盐研究所研制）7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院3. 新型压电材料新型压电材料硫化锌硫化锌( ZnS)、碲化镉、碲化镉(CdTe)、氧化锌氧化锌(ZnO)、硫化镉、硫化镉(CdS)、碲化锌、碲化锌(ZnTe)和砷化镓和砷化镓(GaAs)等。等。7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 (2) 高分子压电材料高分子压电材料 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

12、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。它等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆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，测量动态范围可达率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。3. 新型压电材料新型压电材料7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院高分子压电薄

13、膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院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7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院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7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）7.2 压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性江苏科

14、技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院双晶片结构形式双晶片结构形式 实际使用中，采用单片压电片工作的话要产生足够实际使用中，采用单片压电片工作的话要产生足够表面电荷就需很大作用力但测量粗糙度和微压差时所提表面电荷就需很大作用力但测量粗糙度和微压差时所提供的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或供的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片两片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。有电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。并联并联串联串联7.3 压电元件常用结构形式压电元件常用结构

15、形式江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院7.3 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院两个压电片的联结方式两个压电片的联结方式 7.3 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式串联时，输出电压大、电容小、串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。时间常数小。 适宜测量高频信号和以电压适宜测量高频信号和以电压输出的场合。输出的场合。 并联时，输出电荷量大、电容并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；大、时间常数大； 适宜测量缓变信号和以电荷适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。输出的场合。 江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学

16、院7.4 压电传感器等效电路压电传感器等效电路测量电路测量电路压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路 压电器件相当于具有一压电器件相当于具有一定定 电容的电荷源，其电电容的电荷源，其电容：容：电容两极板间开路电压为：电容两极板间开路电压为：江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院7.4 压电传感器等效电路压电传感器等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：若考虑负载（测量电路），等效电路如下：江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 假设一恒定力假设一恒定力F F作用于压电器件，产生电量作用于压电器件，产生电量q q，则输则输出电压：出电压：压电传感器本身产生的电

17、荷量很小，且传感器本身的压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大（压电元件漏电阻内阻很大（压电元件漏电阻R Ra a一般在一般在101013 13 101014 14 以以上），因此上），因此输出信号很微弱输出信号很微弱，给后续测量电路提出很，给后续测量电路提出很高的要求。高的要求。由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻R Ri i 非无非无限大，电路将按指数规律放电，造成限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差测量误差。电路。电路放电时间常数放电时间常数 = (= (R Ra a/R Ri i) ) C C R Ri i C C（一般一般R

18、 Ra aR Ri i），），为了减小误差，为了减小误差，R Ri i越大越好。越大越好。 7.4 压电传感器等效电路压电传感器等效电路江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院 压电式传感器要求负载电阻压电式传感器要求负载电阻Ri 必须有很大的数值，必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。路及其它电路。 测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用：前置放大

19、器两个作用： 把压电式传感器的微弱信号放大；把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。7.5 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达样也起着阻抗变换的作用，

20、其输入阻抗高达10101012 ，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。 使用电荷放大器突出的一个优点使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器的灵敏度与电缆长度无关。7.5 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院压电传感器的电荷放大器等效电路压电传感器的电荷放大器等效电路 7.5 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路输出电压正比于输入电荷。输出电压正比于输入电荷。在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。fficacfCQCkCCCkQUU)1

21、 (0江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院充电电压接近等于放大器的输出电压充电电压接近等于放大器的输出电压 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0结论：结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系；而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系；2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量 Q 变变化成线形关系的输出电压。化成线形关系的输出电压。3、反馈电容、反馈电容Cf 小，输出就大。小，输出就大。4、要达到一

22、定的输出灵敏度，必须选择适当的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度，必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：、输出电压与电缆电容无关条件：(1+K)Cf (Ca+Cc+Ci)7.5 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标主要指标:灵灵 敏敏 度度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围频率范围：0.3100kHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV归归 一一 化化：外接电阻调整：外接电阻调整线性误差线性误差：1%最

23、大输出最大输出：5V或或10V电电 源源：6V15V特特 点点：可组成经济的多点测试系统：可组成经济的多点测试系统7.5 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院7.5 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路多通道电荷放大器多通道电荷放大器江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院1. 高分子压电材料的应用高分子压电材料的应用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产生的振动信号，时会产生的振动信号，并将电压信号传送给并将电压信号传送给集中报警系统。集中报警系统。粘贴位置7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用江苏科技大学机械工程学院江苏科技大学机械工程学院2. 交通监测交通监测 将高分子压电电缆将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监