传感器与检测技术 第八章 压电式传感器

课程回顾磁电式传感器：

课程目标1.知识目标掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的定义与物理本质。理解压电式传感器机械能—电能双向转换的基本原理。记住压电传感器只能测动态力、不适于静态测量的核心特点。2.能力目标能区分正/逆压电效应，并解释力→电、电→变形的转换过程。能根据原理判断压电传感器适用的测量对象（力、压力、振动、冲击等）。初步具备分析压电传感机理的逻辑思维能力。3.价值目标认识压电效应在工业、医疗、水声、汽车中的重要价值，增强专业认同感。培养严谨、求实、规范的工程素养，树立原理决定应用的工程意识。

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某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。8.1压电传感器的工作原理压电效应8.1.1压电晶体石英晶体是单晶结构，为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，石英晶体为六棱形。它有三个互相垂直的轴。其中x轴称为电气轴，y轴称为机械轴，z轴称为光学轴。石英晶体外形石英晶体薄片常用的压电单晶有石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、α碘酸锂（α-LiIO3）、硫酸锂（Li2SO4）等双面镀银并封装8.1压电传感器的工作原理石英晶体是单晶结构，为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，石英晶体为六棱形。它有三个互相垂直的轴。其中x轴称为电气轴，y轴称为机械轴，z轴称为光学轴。•“纵向压电效应”沿电轴x方向施加作用力产生的压电效应称为纵向压电效应:•“横向压电效应”沿机械轴y方向施加作用力产生的压电效应称为横向压电效应:

8.1压电传感器的工作原理•沿光轴Z方向施加作用力则不产生压电效应。8.1.1压电晶体2026/6/116石英晶体的压电效应演示

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。石英晶体振荡器（晶振）石英等压电单晶压电系数小，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但机械强度和品质因素高，稳定性好，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。8.1压电传感器的工作原理8.1.1压电晶体8.1.2压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，工艺性好，而制造成本却较低，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。

常用的压电陶瓷材料有：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。

不足：机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。8.1压电传感器的工作原理自发极化电畴极化强度为零，无压电效应施加高压电场极化，电畴转向，有一定的极化强度电场撤销后，有剩余极化强度陶瓷片两端出现束缚电荷电场强度：1-4kV/mm•压电陶瓷极化过程直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后8.1.2压电陶瓷8.1压电传感器的工作原理＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋

正压电效应将机械能转换为电能8.1.2压电陶瓷8.1压电传感器的工作原理11压电陶瓷外形

8.1.2压电陶瓷8.1压电传感器的工作原理无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

8.1.2压电陶瓷8.1压电传感器的工作原理

又称压电聚合物，典型的高分子压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、偏聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。这类材料具其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点。高分子压电薄膜及拉制8.1.3压电聚合物8.1压电传感器的工作原理高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

8.1.3压电聚合物8.1压电传感器的工作原理又称复合型高分子压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状压电材料构成的。兼有无机压电材料优良压电性和高分子压电材料的优良加工性能，而且不需要进行拉伸等处理，即可获得压电性。而这种压电性在薄膜内无各向异性，故在任何方向上都显示出相同的压电性。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。

8.1.4压电复合材料8.1压电传感器的工作原理压电复合材料在水声领域的应用：核潜艇声呐8.1.4压电复合材料8.1压电传感器的工作原理思政内容上世纪70年代，中国第一艘核潜艇——长征一号（091型核潜艇首舰）091型核潜艇被美军戏称为“海底拖拉机”，160分贝传统的核潜艇动力系统依靠核反应堆产生高温高压蒸汽推动汽轮机高速旋转，再通过减速齿轮箱带动螺旋桨旋转，而这个减速齿轮箱由于齿轮高速运转和啮合，不可避免地会产生大量噪音。海狼级攻击核潜艇：90-120分贝压电复合材料在水声领域的应用：核潜艇声呐8.1.4压电复合材料8.1压电传感器的工作原理思政内容认识到差距后，中国将潜艇静音技术列为重点攻关方向，投入大量资源，无数科学家和工程师夜以继日地攻克技术难关。他们从优化潜艇结构设计入手，简化内部结构，减少机械部件数量和复杂程度，从源头上减少噪音。改进动力系统的传动方式，尝试新的动力系统布局，降低减速齿轮箱的噪音。同时，潜心研究消声瓦技术，不断改进材料配方和工艺，力争在消声瓦技术上取得突破。消声瓦无轴传动093B型核潜艇：100分贝以下自然循环堆无限接近海洋背景噪音水平，达到“完全隐身”的效果，成为名副其实的“大洋黑洞”。压电复合材料在水声领域的应用：核潜艇声呐8.1.4压电复合材料8.1压电传感器的工作原理思政内容声波压电复合材料电信号分析处理机械振动压电反应压电复合材料声阻抗匹配水、耐水压、灵敏度高、频带宽、稳定性好，完美适应水下复杂环境，是水声换能器的理想材料。为什么选它做水下换能设备？F+

最简单的压电式传感器的结构及工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。

因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。8.2.1结构形式8.2压电元件的常用结构形式及转换电路压电元件的等效电路＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)当压电传感器的压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷。在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集负电荷。因此压电传感器可以看成是一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，其电容值为：＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)

压电传感器的等效电路8.2压电元件的常用结构形式及转换电路8.2.2压电传感器的等效电路压电元件可以等效成一个与电容相并联的电荷源——电荷等效电路；也可以等效为一个电压源与电容串联——电压等效电路8.2.3压电元件等效电路qq＝UaCaCaCaUaUa＝q/Ca（a）电荷等效电路（b）电压等效电路

传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。8.2压电元件的常用结构形式及转换电路压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻RaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCaUa8.2.4压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci

前置放大器输入电容

Cc

连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻

压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。

8.2压电元件的常用结构形式及转换电路

压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。

压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。前置放大器的作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。8.2.4压电传感器的完整等效电路8.2压电元件的常用结构形式及转换电路

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）。8.3压电传感器及其应用回顾+作业一核心：压电效应两效应：正（力→电）、逆（电→力）一特点：测动不测静1.名词解释：什么是正压电效应​什么是逆压电效应作业：写到纸上上传，写上姓名和学号1.判断：压电式传感器既可以测量动态信号，也可以测量静态信号（）8.3压电传感器及其应用（汽车方面）1.知识目标：熟悉压电式传感器在工业、科研和汽车等领域的典型应用，理解其“只适用于动态测量”的本质。2.能力目标：能结合汽车安全系统（爆震传感器、碰撞传感器）的实际工作原理，设计完整的检测方案。3.价值目标：通过理解压电效应从晶体奇妙的物理现象→测量电路精准转换→汽车安全系统救命装置的全链条转化，深刻感悟基础科学研究如何一步步推动技术创新

压电元件的串联和并联a)b)

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组成压电式传感器。由于压电材料是有极性的，因此连接方法有两种。8.3压电传感器及其应用+并联+串联并联和串联：并联时串联时设单片压电元件的电容为，电荷为，电压为，则当两片叠加后电荷灵敏度高电压灵敏度高8.3压电传感器及其应用+并联+串联并联和串联：

并联时（2C,2Q,U），传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联时（C/2，Q,2U），传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。8.3压电传感器及其应用+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-

并联

串联8.3压电传感器及其应用8.4压电传感器及其应用8.4.1压电加速度传感器

压电加速度传感器是一种常用的加速度计。因其固有频率高，高频(几千赫至十几千赫范围)响应好，如配以电荷放大器，低频特性也很好(可低至0.3Hz)。压电加速度传感器的优点是体积小、重量轻，缺点是要经常校正灵敏度。基座压电片质量块m压簧壳体压电加速度传感器结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。F=ma,F∝a又q∝F∴q∝a基座压电片质量块m压簧壳体8.4压电传感器及其应用8.4.1压电加速度传感器压电加速器传感器的另一种结构形式是利用压电元件的切变效应。8.4压电传感器及其应用8.4.1压电加速度传感器

压电压力传感器主要用于发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量，它既可用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式压力传感器１－压电晶片２－膜片弹簧３－薄壁圆筒４－外壳５－引线8.4压电传感器及其应用8.4.2压电式压力传感器预压圆筒壳体绝缘体引线电极压电堆片膜片弹簧

8.4压电传感器及其应用8.4.2压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器特点:(1)体积小，结构简单，工作可靠；(2)测量范围宽，可测100MPa以下的压力；(3)测量精度较高；(4)频率响应高，可达30KHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。8.4压电传感器及其应用8.4.2压电式压力传感器

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8.4压电传感器及其应用8.4.2压电式压力传感器8.4压电传感器及其应用8.4.2压电式压力传感器

利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，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。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。

流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况8.4压电传感器及其应用8.4.3压电式流量计（超声波流量计）

一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。

脉搏计照片

典型应用：

·脉搏计数探测

·按键键盘，触摸键盘

·振动、冲击、碰撞报警

·振动加速度测量

·管道压力波动

·其它机电转换、动态力检测等8.4压电传感器及其应用8.4.4.集成压电式传感器8.4压电传感器及其应用8.4.4集成压电式传感器8.4压电传感器及其应用8.4.5其他应用（举例）压电式玻璃打碎报警装置

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8.4压电传感器及其应用8.4.5其他应用（举例）8.4压电传感器及其应用8.4.5其他应用（举例）压电式脚踏报警器

8.4压电传感器及其应用8.4.5其他应用（举例）高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）8.4压电传感器及其应用8.4.5其他应用（举例）蜂鸣器：手表闹钟万用表报警小型设备报警

8.4压电传感器及其应用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8.4压电传感器及其应用拳击/跆拳道/散打（测力拳靶/脚靶）举重/力量举（测力台+杠铃传感器）8.4压电传感器及其应用短跑起跑（KiSprint起跑器测力系统）游泳出发/转身（KiSwim出发台测力）8.4压电传感器及其应用8.4压电传感器及其应用智能穿戴8.4压电传感器及其应用家居检测：压电薄膜材料柔软，安全。监控睡眠质量汽车座椅：压电薄膜材料监控有无人乘坐是否疲劳与自动驾驶相关联应用一：爆震传感器(KnockSensor)工作原理发动机爆震产生高频振动，传感器内的压电元件将其转化为电信号。ECU接收信号后，立即推迟点火提前角，从而精准抑制爆震，保护发动机。部件位置需直接刚性安装在发动机气缸体表面，并靠近燃烧室核心区域，以确保能第一时间捕捉到微弱的振动信号。技术优势拥有微秒级的极速响应速度与极高的信号灵敏度；具备优异的耐高温性能，可稳定适应发动机舱的恶劣工况。应用二：燃烧压力传感器核心原理：正压电效应直接测量摒弃间接的振动监测，利用正压电效应直接深入气缸内部，实时捕捉动态燃烧压力信号，为发动机控制系统提供最原始、最精确的燃烧状态反馈数据。安装布局：灵活适