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1、第七章 压电式传感器,压电效应 压电材料 压电元件常用结构形式 等效电路 测量电路 压电式传感器应用举例,本章内容：,测试技术基础,正压电效应 某些物质在一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应 逆压电效应 在压电材料的两个电极上加以交流电压，压电片会产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也称“逆压电效应”。,压电效应 ( piezoelectric effect ),7.1 压电效应,可逆型换能器,石英晶体的压电效应演示,7.1 压电效应,石英晶体的压电效应
2、,理想形状：六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。,纵轴z-z称作光轴，通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线 x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴右螺旋法则。,7.1 压电效应,通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行z-z、y-y、x-x轴线 。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有纵向效应、横向效应和切向效应三种。,7.1 压电效应,7.1 压电效应,压电效应作用方向图,例：石英晶体的压电效应,晶片在电轴x-x方向上受到压应力：,结论：当石英晶体切片受x向压力作用时，所产生的电 荷量qxx与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无
3、关。,7.1 压电效应,在横向 (y-y) 施加作用力,结论：当沿着机轴y-y方向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴x-x方向加压力时产生的电荷极性相反(式中负号)。,压电元件材料一般有三类： (1) 单晶压电晶体（如上述的石英晶体） (2) 多晶压电陶瓷 (3) 新型压电材料 - 压电半导体 - 高分子压电材料,7.2 压电材料的分类及特性,1. 石英晶体,一种天然晶体，压电系数d112.3110-12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点： 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达5
4、50(压电系数不随温度而改变)、工作湿度高达100%、稳定性好。,7.2 压电材料的分类及特性,x轴：电轴或1轴； y轴：机械轴或2轴； z轴：光轴或3轴。,“纵向压电效应”：沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷 在光轴(z轴)方向有作用力时，不会产生压电效应。,7.2 压电材料的分类及特性,天然石英晶体外形,1. 石英晶体,7.2 压电材料的分类及特性,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,7.2 压电材料的分类及特性,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
5、,晶振,7.2 压电材料的分类及特性,2. 压电陶瓷,人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。,压电陶瓷的极化,（a）未极化的陶瓷 （b）正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶瓷,7.2 压电材料的分类及特性,常见压电陶瓷：,(1) 钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英 (2) 锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷(PZT) 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。 (3) 铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN) 具有较高的压电系数，在
6、压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温环境中测力传感器。,7.2 压电材料的分类及特性,压电陶瓷外形,7.2 压电材料的分类及特性,无铅压电陶瓷及其换能器外形,（上海硅酸盐研究所研制）,7.2 压电材料的分类及特性,3. 新型压电材料,(1) 压电半导体材料 压电半导体材料有硫化锌( ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。,7.2 压电材料的分类及特性,(2) 高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟
7、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。,3. 新型压电材料,7.2 压电材料的分类及特性,高分子压电薄膜及拉制,7.2 压电材料的分类及特性,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,7.2 压电材料的分类及特性,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,7.2 压电材料的分类及特性,高分子压电薄膜制作的压电喇叭,（逆压电效应）,7.2 压电材料的分类及特性,双晶片结构形式,实际使用中，
8、采用单片压电片工作的话要产生足够表面电荷就需很大作用力但测量粗糙度和微压差时所提供的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。,并联,串联,7.3 压电元件常用结构形式,7.3 压电元件常用结构形式,两个压电片的联结方式,7.3 压电元件常用结构形式,串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。 适宜测量高频信号和以电压输出的场合。,并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大； 适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。,7.4 压电传感器等效电路,测量电路,压电式传感器及其等效电路,压电器件相当于具有一定 电
9、容的电荷源，其电容：,电容两极板间开路电压为：,7.4 压电传感器等效电路,压电式传感器的等效电路,若考虑负载（测量电路），等效电路如下：,假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：,压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大（压电元件漏电阻Ra一般在1013 1014 以上），因此输出信号很微弱，给后续测量电路提出很高的要求。 由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻Ri 非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。电路放电时间常数 = (Ra/Ri)C RiC（一般RaRi），为了减小误差，Ri越大越好。,7.4 压电传感器等效电路,压电式传感器要求负载电阻Ri 必
10、须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用： 把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,7.5 压电传感器的测量电路,电荷放大器,电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。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，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012 ，输出阻抗小于100。 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。,7.5
11、压电传感器的测量电路,压电传感器的电荷放大器等效电路,7.5 压电传感器的测量电路,输出电压正比于输入电荷。 在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,充电电压接近等于放大器的输出电压,结论： 1、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； 2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量 Q 变化成线形关系的输出电压。 3、反馈电容Cf 小，输出就大。 4、要达到一定的输出灵敏度，必须选择适当的反馈电容。 5、输出电压与电缆电容无关条件：(1+K)Cf (Ca+Cc+Ci),7.5 压电传感器的测量电路,超小型电荷放大器模块,主要指
12、标:灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100kHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电 源：6V15V 特 点：可组成经济的多点测试系统,7.5 压电传感器的测量电路,7.5 压电传感器的测量电路,多通道电荷放大器,1. 高分子压电材料的应用,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产生的振动信号，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,7.6 压电传感器的应用,2. 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
13、、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。,7.6 压电传感器的应用,压电式振动加速度传感器结构及外形,横向振动测振器,纵向振动测振器,7.6 压电传感器的应用,3. 在振动测量中应用,压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。,压电式加速度计,7.6 压电传感器的应用,压电振动加速度传感器性能指标（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：M5 mm 线性：1%,7.6 压电传感器的应用,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。,7.6 压电传感器的应用,
