第七讲-压电式传感器课件

第七讲压电式传感器一、压电传感器的工作原理

压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器是一种可逆型传感器，既可将机械能转化为电能，又可将电能转化为机械能。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。1、压电效应某些物质（石英、钛酸钡等），当晶体受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而其内部极化，表面有电荷出现（电荷Q与所施加的力F成正比），形成电场；当外力去除，又重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。将这些物质至于交变电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由于外电场作用而导致的机械变形称为逆压电现象（电致伸缩效应）。

*当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，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。天然形成的石英晶体外形2、压电材料的分类及特性

压电元件材料一般有三类：压电晶体（如石英晶体）；经过极化处理的压电陶瓷；高分子压电材料。（1）石英晶体石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2023/7/296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Z轴是晶体的对称轴，光轴，该轴方向没有压电效应；X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上，垂直于X轴晶面的压电效应最显著；Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形最显著

从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。垂直于电轴Ｘ切割的石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属，材料常为银或金，用以测量工作面上产生的电荷。切片在受到不同方向的作用力会产生不同的极化作用。主要的压电效应有纵向效应、横向效应和剪切效应。压电效应示意图晶片电荷极性与受力方向关系

FXFX＋＋＋＋＋＋――――――XFXFX＋＋＋＋＋―――――XFYFYFY－－－－－－＋＋＋＋＋＋XFY－－－－－－＋＋＋＋＋＋X纵向压电效应横向压电效应a—石英晶体结构；b、c、d、e—压电效应示意图石英晶体结构及压电效应

从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。图示为垂直于电轴Ｘ切割的石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金属。

沿Ｘ方向施加作用力Ｆx时，在与电轴垂直的表面上产生电荷Ｑxx为：金属极面间产生的电压为：

d11—石英晶体的纵向压电系数

垂直于电轴X切割的石英晶体切片

如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy时，则在与X轴垂直的平面上产生电荷为：

式中d12—石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得d12=-d11,所以

产生电压为：

（2）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差，但制造成本却较低，因此目前压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。当压电陶瓷极化处理后，材料内部存有很强的剩余场极化；受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生压电效应。a—Z向施力；b—X向施力压电陶瓷的压电效应

如图a所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）的作用力Fz时（即作用力垂直于极化面），则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力Fz成比例，即：输出电压为:

当沿X轴方向施加作用力Fx时，如图b所示，在镀银极化面上产生电荷Qzx为:同理dzz：压电陶瓷的纵向压电系数（3）高分子压电材料

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。高分子压电薄膜及拉制

高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板二、

压电式传感器的测量电路1.压电元件的串联与并联(a)并联(b)串联压电元件的串联与并联＋＋＋＋＋＋＋―――――――＋＋＋＋＋＋＋――――――――――――――＋＋＋＋＋＋＋―――――――＋＋＋＋＋＋＋FxFxFxn片ＦyＦy＋＋＋＋＋＋＋————————纵向效应与横向效应的引线连接方式压电晶片的串、并联：串联：电压灵敏度提高一倍并联：电荷灵敏度提高一倍

并联：从作用力看，每片受到的作用力相同、产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同,并联接法如图1。与单片相比，电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。

串联：从作用力看，每片受到的作用力相同、产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同，串联接法如图2。与单片相比，电荷量与单片时相同，总电容量为单片的1/2，输出电压增大了1倍。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。(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)

等效成一个电源U=Q/Ca

和一个电容Ca的串联电路2.压电传感器的等效电路压电传感器只能应用于动态测量!

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。无泄漏需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。压电传感器实际等效电路

（a）电压源 （b）电荷源

压电传感器等效电路和测量电路

压电传感器与测量电路连接时，还应考虑连接线路的分布电容Cc，放大电路的输入电阻Ri，输入电容Ci及压电传感器的内阻Ra。3、压电传感器测量电路

压电器件是一个有源电容器，存在与电容传感器相同的应用弱点“高内阻、小功率”，必须进行前置放大、前置阻抗变换。（1）电压放大器（阻抗变换器）(a)放大器电路(b)输入端简化等效电路

主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压成正比。压电输出特性（即放大器输入特性）将mm’左部等效化简为图（b）所示，可得回路输出式中：——测量回路等效电阻；

ω——压电转换角频率。——测量回路等效电容；（2）电荷放大器电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，它同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010～1012Ω，输出阻抗小于100Ω。

使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。结论：电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系

只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。

反馈电容Cf小，输出就大，

要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。

输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）充电电压接近等于放大器的输出电压三、压电传感器的应用1、高分子压电材料的应用（1）玻璃打碎报警装置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。（2）压电式周界报警系统

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。（3）交通监测

将高分子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、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。高分子压电电缆的应用演示

将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。2、压电陶瓷传感器的应用

压电片的并联接法

压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。（1）压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。当传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用：F作用于压电元件上，产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则输出电荷为

压电加速度传感器广泛应用于测震和测振。

加速度传感器属于惯性式传感器，其可简化为质量m，弹簧k，和阻尼C组成的单自由度振动系统。压电加速度传感器结构原理图基座质量块压电晶片弹簧（2）切削力的测量

由于压电陶瓷元件自振动频率高，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，加工时，切削力通过刀具传给传感器，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。（3）血压计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“克隆脱克泼”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。电子血压计

（4）乐器传感元件乐器传感元件如图所示。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授音，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