第04章压电式传感器教学课件

压电式传感器是有源传感器压电式传感器利用压电材料的压电效应实现能量的转换，将机械能转变成电能。利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量。由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向施加电场，它就会产生变形，因此压电传感器是双向传感器。认识几种压电式传感器（a）柱状压电陶瓷（b）管状压电陶瓷（c）矩形压电陶瓷片（d）压电陶瓷驱动器（e）压电陶瓷超声传感器（f）压电陶瓷超声雾化片（i)电荷型加速度计(j)压电式测力传感器（k）电压输出型加速度计（g）压电陶瓷蜂鸣片（h）压电陶瓷大功率超声换能器4.1压电式传感器的工作原理4.1.1压电效应正压电效应：某些材料，当沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其某些表面会产生电荷;当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。逆压电效应：反过来,在这些材料的极化方向施加电场，它会产生机械变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。常用压电材料有三类：压电晶体，压电陶瓷和有机压电材料。

4.1.2石英晶体的压电效应石英晶体结构为正六面体，化学式为SiO2，单晶结构。定义：x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。图4-1石英晶体图4-2石英晶体切片当在电轴方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为 Qx=d11Fx式中:d11——x方向受力的压电系数;图4-3晶体切片的压电效应若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy,其大小为Qy=d12Fya/b

式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b——晶体切片长度和厚度。图4-3晶体切片的压电效应压电式传感器主要是利用纵向压电效应沿光轴(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。图4-3晶体切片的压电效应石英晶体产生压电效应的微观原理图4-4石英晶体的压电效应4.1.3

压电常数和表面电荷的计算压电元件受到力作用时，在其相应表面上产生表面电荷，计算公式如下：式中Qij—j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度(即沿i方向的极化强度)；

σj—沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；

dij—压电常数（j方向受应力，在i方向产生电荷时的压电常数）。图4-4剪切力的作用方向压电常数有两个下脚注:其中第一个脚注i表示晶体的极化方向，即产生电荷的表面垂直于x轴（y轴或z轴),记作i=1（或2或3）。第二个下脚注j=1或2、3、4、5、6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作用的正应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内作用的剪切力。结论：（1）当晶片受到x方向的压力作用时，产生的电荷只与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关。（2）沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的。（3）石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。（4）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。（5）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。4.2压电材料及压电元件结构形式压电材料应具备以下几个主要特性：①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。

常用压电材料

⑴压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。⑵压电陶瓷（多晶体）：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。⑶压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20～200℃范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/℃，在温度较低时，压电常数的变化很小。居里点：573℃

石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。4.2.1石英压电晶体4.2.2压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电特性。

图4-5压电陶瓷的极化自由电荷自由电荷电极束缚电荷图4-7压电陶瓷的压电效应图4-6压电陶瓷吸附自由电荷4.2.3压电元件的结构形式电路并联电路串联压电片组合后，总电容量C’，U’，Q’与单片的C，U，Q的关系图4-8压电元件结构4.3.1压电元件的等效电路 压电元件是压电式传感器的敏感元件。当它受到外力作用时，就会在垂直于电轴或垂直于极化方向的表面上产生电荷，在一个表面上聚集正电荷，在另一个表面上聚集等量的负电荷。因此，可以把压电式传感器看作一个静电电容器。4.3压电式传感器的等效电路图4-9等效电路电容器上的电压Ua（开路电压）、电荷Q与电容Ca之间存在着以下关系：等效电路

1）电荷源

2)电压源

图4-10压电式传感器的等效电路4.3.2压电传感器的等效电路1）测量系统框图图4-11测量系统框图2）等效电路图4-12放大器输入端等效电路3）压电传感器的灵敏度压电式传感器的灵敏度有两种表示方式，它可以表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度Ku=du/dF，后者称为电荷灵敏度Kq=dq/dF，它们可以通过压电元件（或传感器）的电容Ca联系起来，即4.4测量电路

引言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：电压放大器或电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换4.4.1电压放大器（阻抗变换器）图4-13压电传感器接放大器的等效电路R=Ra//RiC=Cc+Ci若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其电压为

放大器输入端电压Ui(4.4.1)(4.4.2)输入电压和作用力之间相位差为Ui的幅值Uim为(4.4.3)(4.4.4)在理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即电荷没有泄露,则ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，那么由式（4.4.3）可知，理想情况下输入电压幅值Uam为

(4.4.5)它与输入电压Uim之幅值比为(4.4.6)令τ为测量回路的时间常数即有：(4.4.7)(4.4.8)(4.4.9)由此得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线。

当作用在压电元件上的力是静态力（ω=0）时，则前置放大器的输入电压等于零。当ωτ>>1时，即作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim随频率的变化不大。当ωτ>>3时，可近似看作输入电压与作用力的频率无关。在测量回路的时间常数一定的情况下，压电式传感器的高频响应是相当好的，是压电式传感器的一个突出优点。

图4-14电压幅值比和相角与频率关系说明：不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，

切实可行的办法：提高测量回路的电阻。

压电传感器与前置电压放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。传感器的电压灵敏度

4.4.2电荷放大器图4-15传感器接电荷放大器等效电路图4-16电荷放大器等效电路Uo——放大器输出电压；Ucf——反馈电容两端电压。

放大器的输出电压当：由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf′为

电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比。电压放大器和电荷放大器比较：电压放大器输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。4.5压电式传感器的应用压电式传感器的特点：能量转换型（发电型）传感器；体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围；灵敏度高，稳定性好，可靠；有比较理想的线性，且通常没有滞后现象；低频特性较差，主要用于动态测量；应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆；工作原理可逆。压电式传感器主要应用类型

表中列给出了压电传感器的主要应用类型。目前它们已经在工业、民用和军事方面得到广泛应用,但其中用得最多的还是力敏类型。1、压电式压力传感器图4-17单向压电式测力传感器图4-18膜片式压力传感器引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p如图4-17示的是YDS-78型压电式单向力传感器的结构，它主要用于频率变化不太高的动态力的测量。2、压电式加速度传感器图4-19压缩式压电加速度传感器

压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。图4-20压电陶瓷换能器结构图3、压电式声传感器当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。

当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。

如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。

4、压电式流量计图4-21压电式流量计流量显示输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。5、压电式传感器在测漏中的应用ABO点LALB地面L如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。图4-22压电式传感器应用两者时间差为Δt=tA-tB=（LA-LB

）/v又L=LA+LB，所以

6、压电声传感器在超声速测量实验中的应用图4-23超声速测量实验装置信号发生器S1示波器频率计S2l游标卡尺当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。由于压电陶瓷元件的自振动频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化可测得切削力的变化。

7、压电式金属加工切削力测量传感器振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，压电元件把从振动板传递来的变形传换成电压。当压电元件上出现机械变形时，在两侧的电极上就会产生电压，所以，当雨滴落到振动板上时，压电元件产生电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比，一般为5mV至300mV。放大电路将压电元件上产生的电压信号放大后再输入到刮水器的放大器中，驱动刮水器工作。8、雨滴传感器电子血压计通过在捆扎布内部安装的传感元件，把血液流过血管中产生的音变换成电信号。血液的流动与捆扎布的气压有关。输出电压随着血液流动的变化而变化，从该值可知道血压值，也可以测量脉搏数，图（a）表示它的构造，（b）表示其检测波形。

9、血压计传感器把压电元件特殊的阻尼材料夹住，存放在一个外壳中。由于压电元件的衰减时间快，固有共振频率低，因此能够得到清楚而柔和的回音，右图是元件的频率特性。传感器安装在吉他的躯体部位是，由于能够检测到弦振动引起的躯体的共振，经放大从扬声器中传播出演奏。

10、乐器传感元件4.6引起压电式传感器测量误差的因素4.6.1环境温度的影响主要表现在：1温度引起传感器灵敏度变化

2温度引起传感器零点漂移★石英晶体

石英晶体对温度并不敏感，在常温范围甚至温度高至200℃，石英的压电常数和介电常数几乎不变，在200℃～400℃范围内变化也不大。

为了提高压电陶瓷的温度稳定性和长时间温度稳定性，一般应进行人工老化处理。人工老化处理的方法是，将压电陶瓷置于温度箱内反复加温和降温，连续做一个星期，加温和降温的周期为二小时。★压电陶瓷人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英要大得多，压电常数和介电常数随温度变化的趋势大体上如图4-24所示。压电陶瓷经人工老化后处理后，虽然在正常使用稳定环境中性能比较稳定，但在高温环境中使用时，压电常数和介电常数仍会发生变化。普通的压电式传感器的工作温度总是有限的，这主要是受压电材料、电子线路元件和电缆耐温限制。压电材料的体电阻率是随着温度的增加按指数规律减小的。

传感器的连接电缆也是一个至关重要的部件。普通电缆是不能耐700℃以上高温的。目前，在传感器中大多采用无机绝缘电缆和含有无机绝缘材料的柔性电缆。

4.6.2环境湿度的影响如果传感器长期在高湿环境下工作，传感器的绝缘电阻（泄漏电阻）将会减小，以致使传感器的低频响应变坏。要选用绝缘性能良好的绝缘材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。零件表面的光洁度要高。

对一些长期在潮湿环境或水下工作的传感器，应采取防潮密封措施，在容易漏气或进水的输出引线接头处用特殊材料加以密封。4.6.3电缆噪声压电式传感器的信号电缆一般采用小型同轴导线，这种电缆很柔软，具有良好的挠性。电缆噪声完全是由电缆自身产生的。普通的同轴电缆是由聚乙烯或聚四氟乙烯作绝缘保护层的多股绞线组成。为了减少这种噪声，可选用特制的低噪声电缆。在测量过程中应将电缆固紧，以免产生相对运动。

4.6.4横向灵敏度（1）压电材料性能的不均匀、压电片表面粗糙或两个表面不平行、压电片表面有杂质或接触不良；（2）晶体片切割或极化方向有偏差；（3）传感器基座上下两端互相不平行；（4）基座平面与主轴方