压电式传感器

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1、*14.5 压电传感器 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应 为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量 ，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。 近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使 压电式传感器的应用越来越广泛。 *24.5.1 变换原理 某些电介质物质，在沿一定方向 上受到外力的作用而变形时，内部会 产生极化现象，同时在其表面上产生 电荷；当外力去掉后，又重新回到不 带电的状态，这种将机械能转变为电机械能转变为电 能能的现象，称为“顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施 加电场，它会产生机

2、械变形，当去掉 外加电场时，电介质的变形随之消失 。这种将电能转换为机械能电能转换为机械能的现象， 称为“逆压电效应”。*3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石英晶体的压电效应演示*4注意：压电式传感器只适用于动态测量而不能用 于静态测量。 由于外力作用而在压电材料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。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流

3、，故适用于动态测量。 *5在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆（gao）钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为三大类：压电晶体(石英晶体)、压电陶瓷和高分子压电材料。 *6天然形成的石英晶体外形石英晶体*7天然形成的石英晶体外形（续） *8石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装*9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*101.石英晶体的压电效应石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧 离子，后者是成对的

4、，所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当 没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投 影恰好等效为正六边形排列，如图a示。这时正负离子正好分布在 正六边形的顶角上，呈现电中性。*11如果沿X方向压缩，如图b所示，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间， 而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表 面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。 若沿Y方向压缩，如图c所示，硅离子3和氧离子2，以及硅离子5和氧 离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表 面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反 ，这时称为横向压电效应。从研

5、究的模型同样可以看出： 如果是使其伸长而不是压缩时 ，则电荷的极性正好相反。总 之，石英等单晶体材料是各向 异性的物体，在X或Y轴向施 力时，在与X轴垂直的面上产 生电荷，电场方向与X轴平行 ，在Z轴方向施力时，不能产 生压电效应。*12压电效应式中，q为电荷量；D为 压电常数，与材质及切片 方向有关；F为作用力。 q=DF*13*142.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分 子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电 畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态 压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。当在一定的温度

6、条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使 电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电 畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，见图所示。a)极化前 b)极化 c)极化后压电陶瓷的极化过程 *15压电陶瓷外形经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的 剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因 此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。*16超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片*17无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）*18、压电晶体石英晶体、水溶性压电晶体、铌酸锂晶体、压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸

7、铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁 酸铅压电陶瓷、压电半导体有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、 GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以 制成电子器件。两者结合起来，就出现了集转换元件和电子线路为一体的 新型传感器，它的前途是非常远大的。4.5.2压电材料*194. 高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定 的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有 聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂 PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成 较大

8、的面积。如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子压 电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压 电系数，是一种很有希望的压电材料。*20高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆*21可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板*22压电式脚踏报警器*23高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）*244.5.3 等效电路和测量电路 1.等效电路压电元件受力作用时产生电荷，因此它可以等效为一个电容器，有 ，所以压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电荷，压电元件的开路电压为 等效电路为图4-95压电 元件的等效电路 a）结构图b）等效电荷源c）等效电压 源 *252.测量电

9、路前置放大器的作用：一是放大压电元件的微弱信号；二是高阻抗输入变为低阻抗输出。压电传感器的测量系统压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电 阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端 必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏 将引起测量误差。 *26 电压放大器 传感器灵敏度： 此式表明由于电缆电容和放大器输入 电容的存在，使灵敏度减小。如果更 换电缆，则必须重新校正灵敏度，以 保证测量精度。*27 电荷放大器 压电传感器配用电压放大器时，其电压灵敏度随电缆的分布电容变 化而变化，因而更换不同长度的电缆时要对灵敏度重新进行校正。

10、 而采用电荷放大器可以免此麻烦。电荷放大器实际上是一种具有深 度负反馈的高增益运算放大器。当A1，而(1+A)Cf 时，放大器输出电压可以表示为 由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出 电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反 馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度 的影响可以忽略不计。*28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），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。四通道电荷放大器外形焊接式电荷放大器*29其他电荷放大器外形面板式电荷放大器*304.5.4 压电传感器的常用结构形式 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表 面电荷就要很大的作用力，因

11、此一般采用两片或两片以上压电元件 组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种 ：并联连接和串联连接。 并联连接：两压电 元件的负极集中在 中间极板上，正极 在上下两边并连接 在一起，此时电容 量大，输出电荷量 大，适用于测量缓 变信号和以电荷为 输出的场合。 串联连接：上极板为 正极，下极板为负极 ，在中间是一元件的 负极与另一元件的正 极相连接，此时传感 器本身电容小，输出 电压大，适用于要求 以电压为输出的场合 ，并要求测量电路有 高的输入阻抗。 *314.5.5 压电传感器的应用压力变送器力传感器 产 品*32加速度计产 品测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方 法）

12、，使壳体与被测物体之间无相对的振动，则 被测物体的振 动也即拾振器的输入。拾振器内质 块对壳体的相对位移量是右图力学模型的输出， 经变换元件转换为电信号，即拾振器的输出，用 以描述被测物体的绝对振动量。例如以被测物体 的加速度za(t)作为输入，则质块和壳体的相对位 移z01(t)为该惯性系统的输出。 *33压电式压力传感器 压电式压力传感器特性 案例1压电式力传感器传感器上盖为传力元件, 当外力 作用时, 它将产生弹性变形, 将 力传递到石英晶片上。*342）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，

13、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。1）行驶中称重 ：在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用， 我国也逐渐开始应用，其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的 预选和桥梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是 驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，并根 据超载量罚款。 *353）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 。*36高分子压电电缆的应用

14、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 在计算机内部的档案 数据，判定汽车的车 型。当轮胎经过传感器A时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B时，时钟 停止。两个传感器之间的距离一般是3米，或比3米短一些(可根据需要 确定)。传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两个传 感器信号的时间周期，就可得出车速。 *374）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 *385）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*39案例2压电式

15、加速度传感器压电式加速度传感器具有良好的频率特性，量程大，结构简单， 使用方便。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建 筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇 航领域中更有它的特殊地位。 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, 即动画*40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*41爆震波形汽车发动机中的气缸点火时刻必 须十分精确。如果恰当地将点火 时间提前一些，即有一个提前角 ，就可使汽缸中汽油与空气的混 合气体得到充分燃烧，使扭矩增 大，排污减少。但提前

16、角太大时 ，混合气体产生自燃，就会产生 冲击波，发出尖锐的金属敲击声 ，称为爆震，可能使火花塞、活 塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、 曲轴等部件过载、变形，可用压 电传感器检测并控制之。 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。 压电式加速度传感器在 汽车中的应用*42爆震测量*43汽车安全气囊用压电式 磁撞传感器 一种汽车安全气囊用压电式碰撞传感器，它是在普通的压电式传感器 的电荷输出端接上内装电路，并且传感器的压电元件作为内装电路中 运算放大器的反馈元件，本实用新型除了起到阻抗变换的作用，还起 到了将变换后的电压信号进行放大和保证输出电压稳定不变的作用， 同时减小了传感器的体积，因此适合在汽车上使用。 *44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