检测与转换技术第5章2

电能量传感器第二部分同学们好！2012.10.6磁传感器（Magneticsensor）包括:

磁电式传感器（magnetoelectricsensor）磁敏式传感器

磁电式传感器也称为电动式传感器或感应式传感器，它是利用电磁感应原理将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。第二节磁电传感器2012.10.6导体和磁场发生相对运动时，在导体两端有感应电动势输出；磁电式传感器就是利用电磁感应原理，将运动速度、位移等物理量转换成线圈中的感应电动势输出。磁电感应式传感器工作时不需要外加电源，可直接将被测物体的机械能转换为电量输出。是典型的有源传感器。特点：输出功率大，稳定可靠，可简化二次仪表，但频率响应低，通常在10—100HZ，适合作机械振动测量、转速测量。传感器尺寸大、重。磁电式传感器机械能电量2012.10.6电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。磁电传感器霍尔传感器测转速2012.10.6一、基本原理

根据电磁感应定律，当导体在稳恒均匀磁场中，沿垂直磁场方向运动时，导体内产生的感应电势为

(5-1)式中:B——稳恒均匀磁场的磁感应强度；l——导体有效长度；v——导体相对磁场的运动速度。

2012.10.6

当一个W匝线圈相对静止地处于随时间变化的磁场中时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dφ/dt

有如下关系：

图(a)是作直线运动的磁电式传感器。当线圈在磁场中作直线运动，并切割磁力线时，产生的感应电动势为W—工作气隙中线圈绕组的匝数2012.10.6

磁电式传感器结构原理图(a)线圈直线运动；(b)线圈作转动2012.10.6

图（b）所示的结构是线圈作旋转运动的磁电式传感器。它相当于一只发电机。线圈在磁场中转动切割磁力线时，产生的感应电动势为式中：ω

为角频率，ω=dθ/dt

，当ω

为常数时，θ=ωtA为线圈所包围的面积，θ为线圈面的法线方向与磁场方向的夹角2012.10.6当θ

=ωt=90º时，感应电动势有最大值Em

由式可以看出，当传感器结构一定时，B、A、W、L均为常数。因此，感应电动势与线圈对磁场的相对运动速度v或(ω)成正比。所以这种换能器是一种速度传感器，能直接测量出线速度或角速度。由于速度与位移或加速度之间有内在联系，它们之间存在着积分或微分的关系。假如在感应电势的测量电路中接一积分电路，则其输出电势就与位移成正比，如果在测量电路中接一微分电路，则其输出电势就与运动的加速度成正比。这样，磁电式传感器还可以用来测量运动的位移或加速度。2012.10.6二、磁电式传感器的结构与分类从结构上可分为恒定磁通式变磁阻式常见磁电传感器:

磁通量的变化可以通过很多办法来实现，如磁铁与线圈之间作相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化等，一般磁电感应式传感器2012.10.6产生感应电动势的方法有两个：（2）线圈相对磁场运动切割磁力线；（1）使磁路磁通量发生变化；

根据以上原理，可设计出两种磁电感应式传感器结构：变磁通式（变磁阻式）、恒磁通式。变磁通式磁电传感器,用来测量旋转物体的角速度。2012.10.62.变磁阻式磁电传感器

这类传感器的线圈和磁铁都是静止不动的。利用磁性材料制成齿轮，在运动中它不断地改变磁路的磁阻，因而改变了贯穿线圈的磁通量，因此在线圈中感应出电动势。

变磁阻式传感器一般都做成转速传感器，产生的感应电势的频率作为输出，其频率值取决于磁通变化的频率。2012.10.6变磁阻式转速传感器在结构上分为开磁路和闭磁路两种。

（1）开磁路变磁阻式转速传感器如图所示，传感器由永久磁铁、感应线圈、软铁组成。齿轮安装在被测转轴上，与转轴一起旋转。

1—永久磁铁；2—软铁；

3—感应线圈；4—齿轮。图7-4开磁路变磁阻式转速传感器2012.10.6线圈、磁铁静止不动被测旋转体转动齿的凹凸使磁路磁阻周期变化测量齿轮转动磁路磁通周期性变化线圈中产生周期性变化的感应电动势52012.10.6结构简单、牢固、价格便宜，被广泛用于车辆上作为检测车轮转速的轮速传感器。上图为变磁通式磁电传感器的结构原理。其中传感器线圈、磁铁和外壳均固定不动，齿轮安装在被测的旋转体上。2012.10.6当齿轮旋转时，由齿轮的凹凸引起磁阻变化，而使磁通发生变化，因而在线圈3中感应出交变电势，其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积，即式中，z为齿轮的齿数；n为被测轴的转速(r/min)；

f为感应电势频率(Hz)。当齿轮的齿数z确定以后，若能测出f

就可求出转速n(n=60f/z)。这种传感器结构简单，但输出信号小，转速高时信号失真也大，在振动强或转速高的场合，往往采用闭磁路变磁阻式转速传感器。2012.10.6开磁路式转速传感器结构比较简单，但输出信号小，另外当被测轴振动比较大时，传感器输出波形失真较大。在振动强的场合往往采用闭磁路式转速传感器。2012.10.6闭磁路变磁阻式转速传感器

闭磁路变磁阻式转速传感器的结构如图所示。它是由安装在转轴上的内齿轮和永久磁铁、外齿轮及线圈构成。内、外齿轮的齿数相等。测量时，转轴与被测轴相连，当有旋转时，内外齿的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈的磁通量变化，在线圈中感应出电势。与开磁路相同，也可通过感应电势频率测量转速。

闭磁路变磁阻式转速传感器1—转轴；2—内齿轮；3a，3b—外齿轮；4—线圈；5—永久磁铁。2012.10.61、永久磁铁3、线圈，5、内齿轮6、外齿轮7、被测转轴当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，使线圈内产生周期性变化的感应电动势。。2012.10.6

转速传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例的，当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz

左右，闭磁路转速传感器下限频率可低到30Hz左右，上限工作频率可达100Hz。若将输出电势信号转化为脉冲信号，则可方便的求解出转速的大小。2012.10.6(3)

变磁阻式传感器的测量电路变磁阻式传感器需实现从转速到电脉冲的变换，实用的变换电路如图所示。传感器的感应电势由VD1管削去负半周，送到V1进行放大，再经过V2组成的射极跟随器，然后送入由V3和V4组成的射极耦合触发器进行整形，这样就得到方波输出信号。

磁阻式转速—脉冲变换电路2012.10.6

这种传感器工作磁场恒定，线圈和磁铁两者之间产生相对运动(动线圈或动磁铁)，切割磁力线而产生感应电势。图中的（a）和（b）为这种磁电式传感器的工作原理图。恒定磁通式磁电传感器通常用于测量振动速度。图（c）是基于这种结构的心音传感器的结构示意图。二．恒定磁通磁电式传感器

2012.10.6恒定磁通磁电式传感器结构图（a）动线圈式，（b）动磁铁式，（c）磁电式心音传感器实例(c)2012.10.6使用时，磁电式传感器于被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳也随之振动。由于弹簧非常软、轻，运动部件（绕扎在金属骨架上的线圈）质量相对较大，当物体振动频率足够高时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动，近乎静止不动，振动能量几乎全部被弹簧吸收，永久磁铁于线圈之间的相对运动速度就接近于振动体的振动速度。磁铁与线圈的相对运动速度切割磁力线，从而产生感应电动势。2012.10.6

设线圈运动空间的工作气隙磁场磁感应强度B是均匀的，线圈的匝数为W，l为线圈平均长度，当线圈与磁场的相对运动速度为dx/dt时，则线圈的感应电动势为：为线圈运动方向与B的夹角当=90°

因此，当线圈匝数，工作气隙磁感应强度，线圈有效长度不变时，感应电动势大小与被测速度成正比。2012.10.6换句话说，当传感器结构参数确定后，N、B和l均为恒定值，E与dx/dt成正比，根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。由理论推导可得，当振动频率低于传感器的固有频率时，这种传感器的灵敏度(E/v)是随振动频率而变化的；当振动频率远大于固有频率时，传感器的灵敏度基本上不随振动频率而变化，而近似为常数；当振动频率更高时，线圈阻抗增大，传感器灵敏度随振动频率增加而下降。不同结构的恒磁通磁电感应式传感器的频率响应特性是有差异的，但一般频响范围为几十赫至几百赫。低的可到10

Hz左右，高的可达2

kHz左右。2012.10.6因恒定磁通磁电式传感器的工作频率不高，传感器能输出较大的信号，所以对变换电路要求不高，采用一般交流放大器就能满足要求。传感器输出信号经过直接放大或微积分电路便可分别得到与速度、加速度或位移量相关的信号。所用电路如图所示。恒定磁通磁电式传感器信号变换电路2012.10.6信号输出测量电路直接输出电动势测量速度；接入积分电路测量位移；接入微分电路测量加速度。2012.10.6三、磁电式传感器的误差与补偿当磁电式传感器后接测量电路时，传感器的输出电流i0

为R为传感器的内阻，Ri

为测量电路输入电阻，l为线圈的平均周长。传感器的电流灵敏度为：2012.10.6而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为当传感器的工作环境温度发生变化或受到外界磁场干扰、或受到机械振动或冲击时，其灵敏度将发生变化，从而产生测量误差，其相对误差为2012.10.6

当温度变化对式右边三项有影响，对铜线每摄氏度变化量为dl/l≈0.167×10-4,dR/R≈0.43×10-2，dB/B每摄氏度的变化量决定于永久磁铁的磁性材料。对铝镍钴永久磁合金，dB/B≈-0.02×10-2，这样由式可得近似值如下：

1.温度误差这一数值是很可观的，实际使用中需要进行温度补偿。2012.10.6补偿的方法可从两方面进行：（1）在电路上，可以将负温度系数的热敏电阻与线圈串联，近似从线圈电阻随温度变化方面进行补偿。（2）在磁路上采用热磁分流器，从气隙工作磁通密度随温度变化方面进行补偿。

热磁分流器由具有很大负温度系数的特殊磁性材料做成。它在正常工作温度下已将空气隙磁通分路掉一小部分。当温度升高时热磁分流器的磁导率显著下降，经它分流掉的磁通占总磁通的比例较正常工作温度下显著降低，从而保持空气隙的工作磁通不随温度变化，维持传感器灵敏度为常数。2012.10.62.非线性误差磁电式传感器产生非线性误差的主要原因是：由于传感器线圈内有电流i流过时，将产生一定的交变磁通φi，此交变磁通叠加在永久磁铁所产生的工作磁通上，使恒定的气隙磁通变化,如图所示。

电流的磁场效应2012.10.6当传感器线圈相对于永久磁铁磁场的运动速度增大时，将产生较大的感应电势e和较大的电流i，由此而产生的附加磁场方向与原工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，从而使得传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。其结果是使传感器灵敏度在线圈运动的不同方向上具有不同的数值，因而传感器输出的基波能量降低而谐波能量增加，即这种非线性特性同时伴随着传感器输出的谐波失真。显然，换能器灵敏度越高，线圈中电流越大，则这种非线性将越严重。2012.10.6为了补偿传感器线圈中电流i的上述作用，可以在传感器中加入“补偿线圈”如图所示。“补偿线圈”消耗传感器测量电路供电电源的能量，即其中通以经放大后的电流ik，若传感器线圈中电流为i，放大倍数为A，则电流ik=Ai，且使其产生的交变磁通与传感器线圈本身所产生的交变磁通相互抵销。

磁电式振动速度传感器中的补偿线圈2012.10.6三、温度对磁电式传感器的影响

在磁电式传感器的输出回路中接入指示器，在指示器中流过的电流为：I=eR+Rd{R为传感器的线圈电阻Rd

为指示器的内阻当温度增加t时，指示器的电流I’可表示为：I’=e(1-ßt)R(1+αt）+R1(1+αt)+R2(1+α2t)2012.10.6

1.动圈式振动速度传感器。JS-05型磁电式振动速度传感器

磁电感应式传感器的应用2012.10.6振动测量工作频率10～500

Hz最大可测加速度5g精度≤10％固有频率12

Hz可测振幅范围0.1～1000

外形尺寸45mm×160

mm灵敏度604

mV·s·cm-1工作线圈内阻1.9质量0.7

kg1、8—圆形弹簧片；2—圆环形阻尼器；3—永久磁铁；4—铝架；5—心轴；6—工作线圈；7—壳体；9—引线磁电感应式传感器的应用2012.10.6

工作时,传感器与被测物体刚性连接,当物体振动时,传感器外壳和永久磁铁随之振动,而架空的芯轴、线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。因而,磁路空气隙中的线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势,线圈的输出通过引线输出到测量电路。该传感器测量的是振动速度参数,若在测量电路中接入积分电路,则输出电势与位移成正比;若在测量电路中接入微分电路,则其输出与加速度成正比。2012.10.6机载振动检测系统飞机飞行过程发动机运转的平衡和空气动力的作用，都会引起各部分产生不同程度的振动，当振动量过大，将会造成飞机构件的损坏。因此为了确保飞行安全，在飞机设计中，对一些重要部件如发动机、机身、机翼等，都必须在地面进行振动实验，以保证这些部件的结构设计是否合理，零件加工和装配是否符合质量要求，在这些试验中，广泛采用磁电式振动传感器。2012.10.6磁电式振动传感器的特点：磁电式振动传感器是惯性式传感器，不需要静止的基准参考，可直接装在被测体上。传感器是发电型传感器，工作时可不加电压，直接将机械能转化为电能输出。速度传感器的输出电压正比于速度信号，便于直接放大。输出阻抗低几十～几千欧，对后置电路要求低，干扰小。航空，发动机等设备的振动实验；兵器，坦克、火炮发射的振动持续时间影响第二次发射；民用，机床、车辆、建筑、桥梁、大坝振动监测。2012.10.6

2.磁电式扭矩传感器图是磁电式扭矩传感器的工作原理图。在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘,它们旁边装有相应的两个磁电传感器。磁电式扭矩传感器的工作原理图2012.10.6出去活动一下2012.10.6扭矩测量当转轴不受扭矩时，两线圈输出信号相同，相位差为零。当被测轴感受扭矩时，轴的两端产生扭转角，因此两个传感器输出的两个感应电动势将因扭矩而有附加相位差。扭转角与感应电动势相位差的关系为

式中：z为传感器定子、转子的齿数。2012.10.6

当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压u1、u2存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。转轴测量电路磁电传感器1磁电传感器2齿型转盘u1u2u

2012.10.6

发动机控制系统中用于检测汽车车速的传感器。利用车速传感器输出的信号，控制电脑可以控制发动机怠速、自动速器换档及发动机冷却风扇的开闭等其它功能。在欧洲、北美、亚洲的各种汽车上比较广泛地采用磁电式车速传感器。

车速传感器2012.10.6它主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。当柴油机运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。在齿数确定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速与齿数的乘积，其关系为2012.10.6

电磁流量计电磁流量计能够连续测量血液的瞬时流速或平均流速，并换算出流量。也能用来测量人工心肺机、人工肾等工作时的血液流速。在知道血管内径的条件下，可以很容易地换算出流量。在测量人体较大血管的血流量时，测量精度可达±5％。近年来发展了一些微型电磁血流测量探头，如心导管型和穿刺型电磁血流测量探头，可用以进行血管内测量。还有一些探头，可以借助于注射针头进行穿刺测量。2012.10.6一、电磁流量计工作原理

根据电磁感应定律用于血液的测量如图所示。血液在血管中以均匀速度v流动，其流动方向与磁场方向垂直，在管道直径EE′（同时垂直于流速方向和磁力线方向）处装上一对电极，则感生电势e可由电极引出。导线长度为管道的直径即L=2r，由式即得：2012.10.6由于液体在管道中横截面上的流速是不均匀的，血管轴心处的速度最快，越靠近血管壁流速越小，并以血管轴线为对称。这种轴对称情况产生的电动势，可以用平均速度代替可用流量Q表示，即代入式上式表明感应电动势与流速分布的形态无关，对于一定的血管半径和磁感应强度，电动势仅决定于瞬时流量。2012.10.6取一块干燥的冰糖，在完全黑暗的环境中，用榔头敲击之。可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光。产生闪光的机理是晶体的压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。第三节压电传感器概述

2012.10.6

压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感器将被测量转换成电荷，产生静电电位差，属于有源传感器。

由于压电效应具有可逆效应，所以压电传感器是一种典型的双向有源传感器。这种传感器广泛用于超声、通信、宇航、雷达和引爆领域，并与激光、红外、超声等技术相结合，成为发展新技术和高科技的重要器件

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、可靠性、稳定性高。

2012.10.6压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计

压电警号概述

2012.10.6压电效应

某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。2012.10.6

压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能——转化成电能也可以将电能——转化成机械能。

压电元件机械能电能压电效应

2012.10.6例如音乐贺卡中的压电片就是利用逆压电效应而发生的。自然界中与压电效应有关的现象很多，例如敦煌的鸣沙山。当游客在沙丘上跳跃或从鸣沙山往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在重压引起振动，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。在电子打火机中，压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。2012.10.6压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应二、压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度2012.10.6常用压电材料2012.10.6石英晶体属压电材料。天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种从机械能转换为电场能即正向压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种电能转换为机械能现象即逆压电效应（电致伸缩效应）。2012.10.6（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形2012.10.6天然形成的石英晶体外形

2012.10.6石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体

2012.10.6(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片

石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，

而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。石英晶体

2012.10.6

压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:

d为压电系数

在X轴方向施力时,产生电荷大小为:σ1为X方向应力

在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:σ2为Y方向应力

压电系数-d11=d12

为常数a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)石英晶体

2012.10.6yxFxFx一、压电传感器的工作原理纵向压电效应横向压电效应2O2-Si+42012.10.6石英晶体压电模型

石英晶体

SiO2012.10.6

石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；石英晶体

2012.10.6FF极化面Q压电介质机械能｛电能正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性｝2012.10.6x轴方向受力：压力x轴方向受力：拉力y轴方向受力：压力y轴方向受力：拉力2012.10.6Px=d11σx=d11FxlbX方向受力：Y方向受力：在晶片的线性弹性范围内，极化强度Px与应力σ成正比Py=d12σY

=d12FYbh其中d11为x方向受力的压电系数，一般表达式为dmn,m表示产生电荷面所垂直轴，n表示施加作用力的轴向，在石英晶体中沿x,y,z轴对应的m、n值分别为1、2、3，d12为y方向受力的压电系数,由于极性相反，d11=-d12.。而当晶体受z轴方向的力Fz时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故无电荷呈现，即没有压电效应。==QxlbQybh2012.10.6石英晶体振荡器（晶振）

石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振

石英晶体

2012.10.6

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（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电陶瓷（多晶体）2012.10.6

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。压电陶瓷（多晶体）2012.10.6

施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。压电陶瓷（多晶体）2012.10.6

晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：电荷密度：d33——压电陶瓷的纵向压电常数，d33比d11、d12大的多，所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高

压电陶瓷（多晶体）2012.10.6压电陶瓷外形

压电陶瓷（多晶体）2012.10.6无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

压电陶瓷（多晶体）2012.10.6

典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）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，测量动态范围可达80dB。

高分子压电材料2012.10.6

聚偏氟乙烯压电材料

聚偏氟乙烯压电效应

高分子压电材料2012.10.6高分子压电薄膜及拉制

高分子压电材料2012.10.6高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

高分子压电材料2012.10.6可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

高分子压电材料2012.10.6压电式脚踏报警器

高分子压电材料2012.10.6高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）

高分子压电材料2012.10.6例1压电式加速传感器

如右图所示：当待测物体发生振动时，由于传感器是固定在被测物体上，故传感器也发生振动，惯性体产生一个与加速度a成正比的力F作用在压电片上，压电片上产生电荷q。因F=ma，m为惯性体质量，是个不变量，故压电片产生的电荷q仅与加速度a有关系。可通过电量q测得加速度。又因传感器电容C不变，U=q/C，故也可通过测量电压测得加速度。

压电式传感器的工作原理2012.10.6

压电式传感器的工作原理例2压电引信2012.10.6压电式传感器的工作原理2012.10.6二、压电元件连接方式和结构形式

2012.10.6压电元件结构形式

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。+_+_U’

电路并联+++++++++++_______________________+++++++++++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。2012.10.6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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。

压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。

压电元件结构形式

+_U’

_++++++++++++___________++++++++++++____________电路串联2012.10.6图5-12压电元件连接方式(a)相同极性端粘结；(b)不同极性端粘结Q′=2Q,U′=UC=Q′/U′=2CQ′=QU′=2UC=Q′/U′=C/22012.10.6三、压电式传感器的等效电路

由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个E有源电容器，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2012.10.6式中：A——压电片的面积；

d——压电片的厚度；

εr——压电材料的相对介电常数。因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图（b）所示。

2012.10.6二、压电传感器的等效电路只适宜动态测量压电晶片：压电传感器：2012.10.6压电元件的等效电路（a）电压源;（b）电荷源Ua=Q/CaQ=CaUa2012.10.6

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漏电阻Ra。这样，压电传感