传感器知识 第6章 压电式传感器1学习资料

第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料

6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用本章知识要点正压电效应、逆压电效应的含义。压电式传感器的工作原理。压电式传感器的测量电路。一、压电效应1、正压电效应沿着一定方向对某电介质施力而使它变形时，在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。6.1压电效应及压电材料

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。石英晶体的压电效应演示压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料。有哪些？

自然界的大多数晶体都具有压电效应，如石英晶体，还有人造晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等。

分类：压电晶体、压电陶瓷和高分子材料。

二、压电材料简介压电常数弹性系数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性能参数压电材料的特性参数

选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：转换性能机械性能电性能温度、湿度稳定性好时间稳定性压电材料的选取天然形成的石英晶体外形6.1.1石英晶体

天然形成的石英晶体外形（续）

图6-2石英晶体(b)切割方向；(c)晶片石英晶体化学式为SiO2电轴机械轴光轴横向压电效应纵向压电效应fxfy无压电效应正六面体ｙxｚＺ光轴Ｘ电轴机械轴坐标轴石英晶体的压电效应：硅离子氧离子石英晶体在X-Y平面离子分布X方向受压力Y方向受压力X方向受压力或Y方向受拉力X方向受拉力或Y方向受压力Z方向受拉力或压力fxfy式中,d11为x方向受力的压电系数。沿电轴x方向施加作用力fx，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷qx

：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：式中：d12——y轴方向受力的压电系数,根据对称性，有d12=-d11；

a、b——晶体切片的长度和厚度。与尺寸无关与尺寸有关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。晶振未极化前：不具压电性撤销外电场加外强电场E

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，各电畴具有一定的极化方向。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。6.1.2压电陶瓷

机械能

电能正压电效应：压电陶瓷的正压电效应FF加力F放电现象式中：

d33——

压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。

压电陶瓷的压电系数大，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高，但是稳定性差。

钛酸钡（BaTiO3）：它是最早的压电陶瓷材料，由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。

锆钛酸铅（PZT）系列，它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300℃以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。

铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅 、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。压电陶瓷外形

高分子压电材料

高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂。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

压电式脚踏报警器

常用压电材料6.1.3压电式传感器

工作原理压电效应压电式传感器静态测量?动态测量无法存储电荷电荷量甚微，中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。金属电极并联串联（1）并联：（2）串联：电容大，输出电荷大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号。电容小，输出电压大，适宜用于以电压输出，并且输入阻抗很高的场合。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-并联Q’=nQU’=UC’=nC串联Q’=QU’=nUC’=C/n(a)厚度变形;(b)长度变形；(c)体积变形；(d)面切变形；(e)剪切变形压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。6.2压电式传感器测量电路6.2.1压电式传感器的等效电路压电式传感器相当于一个电荷发生器和一个电容器，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

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。Ua——电容器上的电压

q——电荷量Ca——电容量压电元件的等效电路压电传感器在实际测量中，要与放大器及测量电路相连，此时的等效电路Cc——电缆的等效电容Ri——放大器的输入电阻Ci———输入电容Ra——压电传感器的泄漏电阻电压源压电元件电压放大器电缆电荷压电元件电荷放大器电缆6.2.2压电式传感器的测量电路前置放大器的作用：

（1）阻抗转换（2）放大1.电压放大器（阻抗变换器）R=RaRi/(Ra+Ri)C=Cc+Ci

ua=q/Ca电压放大器电荷放大器压电元件受力f=Fm

sinωt则式中：

Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca

d——压电系数。前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：ωR

(Ca+Cc+Ci)>>1时时间常数压电传感器有很好的高频响应2、电荷放大器灵敏度与电缆电容无关上限下限6.3压电式传感器的应用6.3.1压电式测力传感器压电式单向测力传感器主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。

传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1~0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力—电转换。石英晶片的尺寸为φ8×1mm。该传感器的测力范围为0~50N，最小分辨率为0.01N，固有频率为50~60kHz，整个传感器重为10g。6.3.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。

当加速度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，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：F——质量块产生的惯性力；

m——质量块的质量；

a——加速度。

此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为q=d11F=d11ma与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。补充压电传感器的应用

一、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10

20mm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，即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）。

2．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。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