《传感器技术及应用》-10.项目十 压电传感器测量加速度

知识目标：1.掌握压电传感器的工作原理；2.熟悉压电传感器的种类、结构类型；3.了解压电传感器的测量转换电路；4.熟悉压电传感器的应用；

能力目标：1.能够根据实际情况正确地选用压电传感器；2.能够正确安装压电传感器；3.能够使用压电传感器进行测量；项目要求在汽车工业高速发展的现代，汽车成为人们出行的主要交通工具之一，但是因交通事故的伤亡数量也不小。在信息化的现代利用高科技去挽救人的生命将会是重大研究的主题之一，基于加速度的车祸报警系统正是这种设计理念，给汽车行业带来更多的安全。知识连接

1、压电传感器工作原理压电效应示意图（1）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；（2）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。知识连接

某些物质沿一定方向施加力使之变形时，晶体内产生极化，表面出现电荷；当外力去掉时，又重新回到原来不带电的状态，这种现象称为压电效应。以某些物质的压电效应为基础，它具有自发电和可逆两种重要特性。

FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－F－－－－－－＋＋＋＋＋＋F当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”。知识连接

反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。压电效应的可逆性

逆压电效应电能机械能正压电效应

2、压电材料（1）石英晶体：如石英、酒石酸钾钠等

性能稳定、自振频率高、动态相应快、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好。但压电常数较小，多用于标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中。（2）多晶压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅铌镁酸铅等性能比较稳定、压电常数较高、灵敏度较高、易成形、成本低。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。压电陶瓷产品压电陶瓷传感器（带换能器）（3）高分子压电材料是一种柔软的压电材料、易成形、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。但精度一般，温度升高时灵敏度降低。此外，它的机械强度不高，耐紫外线能力较差、不宜暴晒。3、压电式传感器的等效电路和测量电路1）压电晶片的连接方式

压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件，如图所示。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生等量的正、负电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，使其又相当于一个电容器。

制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘连在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，故连接方式有两种：串联式与并联式。（1）串联式接法

（2）并联式接法

2）压电传感器的等效电路实际等效电路U0=Q/Ca电荷发生器——受外力作用产生电荷电容器——压电元件表面聚集电荷时，压电材料即为极板间介质Ra:漏电阻；Cc:电缆分布电容；Ri:输入电阻；Ci:输入电容与二次仪表连接的等效电路3）压电传感器的测量电路电荷放大器

Ra:漏电阻；Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ci:输入电容实际等效电荷源压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，为了提高灵敏度和测量精度，因此要进行处理：(2)接入高输入阻抗的前置放大器，放大微弱的压电信号

(1)一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件当略去传感器的漏电阻Ra时

qt≈ei(Ca+Cc+Ci)

当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时qf≈(ei-ey)Cf

则整个电路中的电荷为：

q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；Cf为电荷放大器的反馈电容。电荷放大器ey=-Kei

K为放大器的开环放大倍数所以开环增益K足够大系统的灵敏度为：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；

系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容；

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)被测信号必须是动态信号，否则电荷会泄露。

电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。焊接式电荷放大器面板式电荷放大器应用拓展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，只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，频率降低，灵敏度下降）。压电传感器的特性与用途取决于材料：石英晶体：用于精密测量，多作为基准传感器。压电陶瓷：灵敏度较高，机械强度稍低，多用作测力与振动。高分子材料：多用于定性测量。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。

粘贴在玻璃上，不易发觉。可用于贵重物品柜台、展览橱窗上。

2．压电式周界报警系统在警戒区域的四周埋设多根压电电缆，当人或车辆进入该区域时，电缆受到挤压，产生压电脉冲，引起报警。右图为测量系统的输出波形。用于重要位置出入口、周界安全防护等。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、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）等。二、压电陶瓷传感器的应用

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。

压电式单向动态力传感器结构

压电式压力传感器特性

1、压电式动态力传感器2、车床动态切削力的测量

切削过程中，车刀在切削力的作用下，上下剧烈颤动，将脉动力传递给单向动态力传感器。传感器的电荷变化量由电荷放大器转换成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。

三、振动测量

从振动对象来分，振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。

从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。

从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。

物体振动一次所需要的时间称为周期T[s]。每秒振动的次数称为频率f[Hz]。振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅X[mm]。振动的相关物理量横向振动测振器纵向振动测振器1、压电式振动加速度传感器的结构及外形

2、压电振动加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。

安全气囊3、海啸预警