第13讲 压电传感器

压电效应压电元件的常有结构形式压电传感器的等效电路压电传感器的应用压电传感器某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。压电效应石英晶体的压电效应演示压电效应的可逆性逆压电效应电能机械能正压电效应反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。石英晶体的压电效应常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴

(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。极化强度的计算

dmnm—产生电荷的面的轴向

n—施加作用力的轴向1）沿x方向施加力Fx

，产生厚度变形：极化强度：Px=d11σx=d11Fx/lb=qx/lb则：qx=d11Fx与尺寸无关。2）沿y方向施加力Fy

，产生长度变形：极化强度：Py=d12σy=d12Fy/hb=qy/lb则：qx=d12Fylb/hb=d12Fyl/h与尺寸相关

Sx=lbSy=hb

由于：d11=-d12（各向异性）则：qx=-d11Fyl/h3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。4）无体积变形，无极化。1.并联q’=2qU’=UC’=2C并联接法输出电荷大，本身电容也大，时间常数大，适用于测量慢变信号，并且适用于以电荷作为输出量的地方。压电元件的常有结构形式(a)并联++－－－+2.串联q’=qU’=2UC’=C/2串联接法输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的地方。压电元件的常有结构形式(b)串联+－－+(a)并联(b)串联压电元件的常有结构形式压电传感器既是一个电荷发生器，又是一个电容器。因此可有两种等效电路：1.电荷源：内部的电荷发生器对C充电；2.电压源：产生的电荷形成电压源，对外供电时需通过对等效电容充放电进行。Ua=q/Ca压电传感器的等效电路一、测量特点：1.对象力及力的派生物理量（压力、位移、加速度等）。2.静态测量压电材料上产生的电荷只有在无泄露的情况下才能长期保存。故它不宜做静态测量，只能施加交变力，电荷才能得到不断的补充，才能供给回路一定的电流，故只宜做静态测量。3.高阻前置放大器减少晶片的漏电流以减少测量误差。测量电路二、前置放大器由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。应用一、正压电效应

1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等；差动式加速度传感器

弯曲型压电加速度计

2、作为压电电源，可作为煤气炉或汽车的自动点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等；

三向力传感器YDS-III79B二、逆压电效应超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器（石英振荡器）等。三、正、逆压电效应压电变压器、压电陀螺、声纳、压电声表面波等四、生物压电学生物都具有压电性，人的各种感觉实际上都是生物压电传感器。正压电效应——治疗骨折逆压电效应——对骨头通电具有矫正畸形等功能高频率强振动类型超声换能器High-frequencyHarclOscillationTransducer

由于其结构简单，价格低廉（国外最低售价每个单轴陀螺195美元），能承受恶劣环境，故大量用于航模飞机（微型遥控直升机）的增稳系统。

压电陀螺

压电陀螺在各种遥测和控制系统中有着广泛的用途。压电陀螺已成功地用于导弹的目标跟踪平台、飞机的增稳系统、舰船地雷达稳定伺服系统。压电点火栓

PiecoelectricLighter

用途：适用于打火机、煤气灶、热水器、点火枪自动点火。

点火元件要求在承受一定的压力下能放出较长的火花，并在至少一万次力的作用下不降低其发火能力，压电电荷系数d33愈大，受力后产生的电压愈大、电火花也会愈长。

如图所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。通过放电炮的方式使水箱振动(激振器)，桥墩将承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可判定桥墩有无缺陷。

探测桥墩水下部分裂纹示意图图(a)为探测示意图。没有缺陷的桥墩为一坚固整体，加速度响应曲线为单峰，如图(b)所示。若桥墩有缺陷，其力学系统变得更为复杂，激励后的加速度响应曲线将显示出双峰或多峰，如图(c)所示。

煤气灶电子点火装置如图2（b）所示。当按下手动凸轮开关1时，把气阀6打开，同时凸轮凸出部分推动冲击钻2，使得弹簧3被冲击钻2向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击钻时，由于弹簧弹力作用，冲击钻猛烈撞击陶瓷压电组件4，产生压电效应，从而在正负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过高压导线5在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。煤气灶压电陶瓷打火器