压电式传感器的工作原理

第6章压电式传感器压电式传感器的工作原理某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种有源传感器。特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。※但不适用于静态参数的测量※1880年居里兄弟研究石英时发现一、压电效应正压电效应：

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利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷★去掉外力后，电荷消失，状态复原★

作用力相反，电荷极性也发生变化逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。压电元件机械量电量压电晶体压电陶瓷高分子材料石英晶体（SiO2）钛酸钡（BaTiO3）锆钛酸铅（PZT）聚偏二氟乙烯（PVDF）二、压电材料复合压电材料压电材料主要特性参数压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率机械耦合系数：衡量压电材料机－电能量转换效率的重要参数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：材料开始丧失压电特性的温度,如石英573°天然形成的石英晶体外形1、石英晶体天然形成的石英晶体外形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化学式为SiO2,是单晶体结构。右图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。特点：1）晶体各个方向的特性不相同

2）Z轴（光轴）方向没有压电效应

3）X轴（电轴）面压电效应最强

4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大纵向压电效应横向压电效应无压电效应压电系数光轴电轴机械轴电荷Qx和Qy的符号由受拉力还是受压力决定正常情况下石英体中正负电荷处于平衡，外部呈中性。不受力yx晶体在x方向受力晶体在y方向受力正负电荷产生移动，出现带电现象。FyFyFxFx石英晶体压电模型yxP1P2P3当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图所示。xy石英晶体压电模型P1P2P3当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。xy石英晶体压电模型P1P2P3此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零xy石英晶体压电模型P1P2P3------++++++xy石英晶体压电模型在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。P1P2P3xy石英晶体压电模型------------

++++++++++++P1P2P3xy当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图所示石英晶体压电模型P1P2P3xy石英晶体压电模型-----+++++P1P2P3---------++++++++xyP1增大,P2、P3

减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。石英晶体压电模型当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。石英晶体压电模型

2、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。压电陶瓷及其换能器外形

无铅压电陶瓷及其换能器外形压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体极化前电畴无序排列极化时电畴有序排列极化后电畴基本有序在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。压电陶瓷当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33F式中:d33——

压电陶瓷的压电系数;F——作用力。压电陶瓷的正压电效应：压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系数和较高的工作温度。3、新型压电材料——压电聚合物PVDFPVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

三、压电式传感器1、概述压电式传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传感器就有电荷（或电压）输出。电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。2、等效电路e—压电陶瓷或石英晶体的介电常数A—极板面积d—压电元件厚度

压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电容量为：当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效：Q＝CaUa电压等效：

实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容Ce、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。实际等效电路如图所示:3、压电元件的连接多片压电元件的组合

单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性因素，其连接法分为串联和并联两种。

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串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。2）并联

并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。

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＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－4、压电元件的分类按受力和形变方式

在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此，在测量时需要加入预加力——预载。这样，不仅消除压力使用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。在测量拉力、拉－压交变力及剪力和扭矩时必须给压电传感器施加预载。厚度变形

长度变形

体积变形

厚度剪切变形

5、预载四、测量电路

压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。其作用为：①将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗；②放大传感器输出的微弱信号。1、电压放大器——阻抗变换器图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ce+Ci，Ua=q/Ca当受正弦力f＝Fmsinωt

作用时：压电元件输出电压：放大器输入端电压为：放大器输入端电压幅值为：理想情况下，传感器电阻Ra和放大器输入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Ce+Ci)R>>1，此时输入电压幅值Uim为：放大器输入电压Uim与频率无关。实际应用中，当ω/ω0>3时，就可认为以上式成立。注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。2、电荷放大器图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分流，故可略去R。根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器得输出电压：通常A=104~108，当有（1＋A）Cf>>Ca+Ce+Ci时，上式变为：电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷q（成正比）和反馈电容Cf（100～104pF）有关，而与电缆电容Ce无关

石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、机等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电子、电子游戏机等领域五、应用压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量

压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力高分子压电薄膜制作的压电喇叭可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。

粘贴位置玻璃打碎报警装置高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块

将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各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。并用保护膜覆盖。

使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。压电式周界报警系统

（用于重要位置出入口、周界安全防护等）

将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。交通监测

将压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红