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1、第9章,压电式传感器,主要内容,1工作原理2压电式传感器测量电路3压电式传感器的应用,1.1压电效应,压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转变为电能。正压电效应，逆压电效应特点：结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。用途：主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。,1.2压电材料,X轴向受力：Y轴向受力：Z轴向受力：无,石英晶体（单晶体）,现象：,机理：,机理：,压电

2、陶瓷（多晶体）,压电机理：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，它有一定的极化方向，从而存在电场。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，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。,极化处理后陶

3、瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：,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比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它的压电系数约为石英

4、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。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（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,压电高分子材料,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，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用

5、类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起了压电效应。,压电材料的特性参数,压电系数弹性系数介电常数机电耦合系数电阻居里点,压电材料的选取,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,2压电式传感器的等效电路,压电式传感器的测量

6、电路,电荷放大器,电压放大器,2.3压电元件的连接与变形,压电元件的连接,单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。从作用力看，元件是串接的，因而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。图a）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。,压电元件的变形,3压电式传感器的应

7、用,3.1压电式力传感器,3.2压电式加速度传感器,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。,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

8、才能保存，因此压电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，所以压电传感器只适用于动态测量。动态频率必须高于100Hz，但在30kHz以上时，灵敏度急剧下降。,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,（包括轴数、轴距、单双轮胎）、车速监测、信息采集（道路监控）及机场滑行道等。收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：

9、,高分子压电电缆的应用演示,二、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。,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,一体化车刀动态力测量,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,振动的测量,物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。从振动对象来分，有机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等

10、的振动）以及武器、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。频率是分析振动的最重要内容之一。振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用x表示，单位为mm；振动的速度用v表示，单位为m/s；加速度用a表示，单位为m/s2或g。,知识沙龙,地震的巨大威力,地震波形,二、测振传感器分类,测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。下面介绍压电式测振传感器及其应用。,三、压电式振动加速度传感器的结构及外形,横向振动测振器,纵向振动测振器,四、压电振动加速度传感器的性能指标（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）,技术指标：灵敏度：500mV/g量程：10g频率范围：4-4000Hz安装谐振点:15kHz分辨力：0.00004g重量：40g安装螺纹：M5mm线性：1%,如何选择压电传感器灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量，例如打桩机