第六章压电传感器

压电振动传感器压电材料压电效应、逆压电效应压电传感器的特性压电传感器的信号调节第六章压电传感器测试、检测技术压电效应、逆压电效应压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷，当外力去除后，又重新回到不带电的状态，此种现象称为压电效应。力变形（极化现象）电场（表面电荷）逆压电效应：在某些电介质的极化方向上施加电场或电压，它会产生机械变形，当去除外加电场时，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。电场（极化方向上）变形关键：受到外力产生变形后，其正负电荷的中心是否重合。简化的晶体晶格模型压电效应原理压电效应、逆压电效应不同方向上的压电效应压电效应、逆压电效应注意:产生的是电荷压电体可视为：电荷发生器、电容器。压电效应与逆压电效应都是线性的。压电效应、逆压电效应d为材料的压电常数QCR压电材料压电材料：压电单晶（石英）压电陶瓷高分子压电材料石英石英晶片晶体切片压电材料石英是压电单晶中的代表，有天然石英和人造石英。优点：它具有很好的机械强度，很好的时间和温度稳定性。缺点：压电常数小，是一般单晶的1/3左右，是其它多晶的几百分之一，因此限制了它的更广泛应用。石英晶体最大的用途是做振荡器，用在各种时钟里。全世界每年估计要生产出20亿只以上的晶振。石英的特性压电材料压电材料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，而制造成本却很低，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(PZT)及非铅系压电陶瓷(如BaTiO3等)。压电陶瓷压电材料注意：压电陶瓷需要进行极化处理Poling：极化压电材料压电陶瓷是制作调节器(Actuator)最常用的材料。一般输出力很大，而变形很小，可以达到nm级；动态特性很好，能得到微秒级响应。压电陶瓷用作位置调节器压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯(PVDF或PVF2)聚氟乙烯改性聚氯乙烯(PVC)等。这是一类柔软的压电材料，可以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，制成大面积的元件，价格便宜。工作温度一般低于1000C，机械强度低，易老化。高分子压电材料压电材料PVDF可以做成透明的传感器压电材料压电薄膜制成的喇叭压电材料的应用玻璃破碎传感器将厚度约为0.2mm的PVDF薄膜制成10X20mm大小。在它正反两面个喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。使用时，用胶水把其粘贴在玻璃上。当玻璃破碎时会产生剧烈振动，使薄膜产生电荷，利用其可进行报警。质量块压电材料的应用交通检测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车辆信息压电材料的应用压电纵跳训练分析压电材料的应用压电体可以产生很高的电压开路电压(kV)2520151050应力(106Pa)01020304050PolingaxisOpencircuitVoltage20mmFFQ=kFU=Q/C压电材料的应用高压打火压电体压电材料的应用原子力显微镜中的应用用作微小位移调节探针high-voltage

amplifier压电材料的应用原子力显微镜在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。一般采用压电陶瓷材料的逆压电效应进行微小位移调节当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。压电材料的应用压电传感器的特性1.压电传感器不能用于静态量测量假设施加在晶片上的外力不变，从理论上来说，在外力作用期间，电荷量应该始终保持不变。

但由于在测量时，积聚在极板上的电荷有内部泄漏，并且外电路负载不能达到无穷大，那么产生的电荷量会慢慢的减少。

（因此不适于做静态量测量。）

F(力)V(电压)压电传感器对方波的响应压电传感器的特性压电传感器不能测量静态量，其低频响应不好，所测信号的频率下限可以很低，但就是不能为零。压电传感器的特性2.压电传感器的输出信号非常微弱需要将电信号放大后才能检测出来。压电传感器的特性压电传感器的信号调节

两种放大方式：

1、普通的电压放大

2、电荷放大而电荷放大器具有更多的优点，因此得到了更为广泛的应用。压电传感器的信号调节电压放大器传感器与电压前置放大器连接的等效电路

电压放大器简化电路QCRCCR-KUUiii0caaQCR-KUi0U压电传感器的信号调节电压放大器QCR-kUi0Ui压电传感器的信号调节我们来看看它的传递函数是如何的？H(S)相当于一个一阶高通滤波器，因此只能传递高频信号。L氏变换压电传感器的信号调节并且，在频率较高时，与压电体的电容、电缆的对地电容、放大器的引入电容相关。表明输出易受电缆对地电容的影响。电压放大器：只能传递高频信号；输出易受电缆对地电容的影响。压电传感器的信号调节

电荷放大器(一般情况)uoQC-kCfui等效电路压电传感器的信号调节选用高增益的运放：电荷放大器的输出电压只与反馈电容的大小、压电体产生的电荷量有关，而与压电体的电容、电缆的对地电容等无关。压电传感器的信号调节压电振动传感器压电振动传感器压电振动传感器在使用时的注意事项：1.频率范围（即采样频率范围）

测试时，要满足采样定理压电振动传感器压电式传感器的频率响应(1)、频率下限

压电传感器的低频响应不好。主要是受到泄漏电阻（传感器本身与放大器输入电阻）的影响。传感器的低频响应可以很低，但就是不能为零(DC)；(2)、频率上限压电传感器的频率上限由传感器本身的固有频率限制，一般应为固有频率的三分之一以下。频率响应曲线压电式加速度计的典型频率响应曲线。特点：直流响应为0，然后有一平坦区间，接着有一谐振峰，然后快速下降。可用区间频率/Hz1001010.1输出电压V谐振峰TypicalFrequencyResponseCurve某一压电式加速度计的频率响应。特点：直流响应为0，然后有一平坦区间，接着有一谐振峰，然后快速下降。DCHPfilterwithLPfilterUsableRangelowfrequencylimitdetermjnedbyRCroll-offcharacteristics1<5%<5%fnfHPf