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1、 2015/12/6 Sunday 1 本章学习本章学习压电传感器压电传感器 的原的原理理、应用及应用及振动频谱分析振动频谱分析。 第六章第六章 压电传感器压电传感器 2015/12/6 Sunday 2 第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器压电式传感器是一种自发电式传感器。 它以某些电介质的它以某些电介质的压电效应压电效应为基础为基础，在外力作在外力作 用下用下，在电介质表面产生电荷在电介质表面产生电荷，从而实现非电从而实现非电 量电测的目的量电测的目的。 压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以测量它可以测量 最终能变换为
2、力的那些非电物理量最终能变换为力的那些非电物理量，例如例如动态动态 力力、动态压力动态压力、振动加速度振动加速度等等，但但不能用于静不能用于静 态参数的测量态参数的测量。 一一、压电效应压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到当晶体薄片受到 压力时压力时，晶格产生变形晶格产生变形，表面产生正电荷表面产生正电荷，电荷电荷 Q与所施加的力与所施加的力F成正比成正比 ，这种现象称为压电效这种现象称为压电效应应 。还有一些人造的材料也具有压电效应还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介
3、质的极化方向上若在电介质的极化方向上施加交变电压施加交变电压，它它 就会就会产生机械变形产生机械变形。当去掉外加电场时当去掉外加电场时，电介质电介质 的变形随之消失的变形随之消失，这种现象称为这种现象称为逆压电效应逆压电效应（电电 致伸缩效应致伸缩效应）。）。 石英晶石英晶体的压电体的压电效应演示效应演示 当力的方向改变时当力的方向改变时，电荷的极性随之改电荷的极性随之改 变变，输出电压的频率与动态力的频率相同输出电压的频率与动态力的频率相同；当当 动态力变为静态力时动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而电荷将由于表面漏电而 很快泄漏很快泄漏、消失消失。 2015/12/6 Sunday 5
4、 二二、压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般压电传感器中的压电元件材料一般有三类有三类： 一类是一类是压电晶体压电晶体（如上述的石如上述的石英晶体英晶体）；）； 另一类是另一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷压电陶瓷；第三类是第三类是高分子压电材料高分子压电材料。 2015/12/6 Sunday 6 （一一）石英晶体石英晶体 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形 2015/12/6 Sunday 7 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续续） 2015/12/6 Sunday 8 石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装 石英晶体薄
5、片石英晶体薄片 双面镀银并封装双面镀银并封装 2015/12/6 Sunday 9 石英晶体振荡器石英晶体振荡器（晶振晶振） 石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电 路中工作时路中工作时，压电效应压电效应 与逆压电效应交替作与逆压电效应交替作 用用，从而产生稳定的振从而产生稳定的振 荡输出频率荡输出频率。 晶振晶振 2015/12/6 Sunday 10 （二二）压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造而制造成本却较低成本却较低，因此目前国内外生产的压电元因此目前国内外生产的压电元件绝大多
6、数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶常用的压电陶 瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如如BaTiO3等等）。 2015/12/6 Sunday 11 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 2015/12/6 Sunday 12 无铅压电陶瓷及其换能器无铅压电陶瓷及其换能器外形外形 （上海硅酸盐研究所研制上海硅酸盐研究所研制） 2015/12/6 Sunday 13 高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 2015/12/6 Sunday 14 （三三）高分子压电材料高分子压电材料 典型的高分子压电材料有典型的高分子压
7、电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯 （PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯聚氟乙烯（PVF）、）、改性聚改性聚氯乙烯氯乙烯（PVC）等等。它是一种柔软的压电材料它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状等形状。它不易它不易破碎破碎，具有防水性具有防水性，可以大量连续拉制可以大量连续拉制，制成较制成较大面积或较长的尺度大面积或较长的尺度，价格便宜价格便宜，频率响应范围频率响应范围 较宽较宽，测量动态范围可达测量动态范围可达80dB。 2015/12/6 Sunday 15 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 2015/12/
8、6 Sunday 16 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 2015/12/6 Sunday 17 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 2015/12/6 Sunday 18 高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应逆压电效应） 2015/12/6 Sunday 19 第二节第二节 压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响电缆长度等因素的影响很小很小： o f6-4QuC 电荷放大器能将电荷放大器能将压
9、电传感器输出的压电传感器输出的电荷转电荷转 换为电压换为电压（Q/U转换器转换器），），但并无放大电荷的但并无放大电荷的 作用作用，只是一种习惯叫法只是一种习惯叫法。 2015/12/6 Sunday 20 四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 . 上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料参考东方振动和噪声技术研究所资料） 灵灵 敏敏 度度：0.11000mV/pC 频率范围频率范围：0.3100KHz 噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于折合至输入端小于5V 准准 确确 度度：1% 最大输出最大输出：10V/10mA 电电
10、源源：220V/50Hz 控制方式控制方式： 计算机或手动计算机或手动 焊接式焊接式 电荷放大器电荷放大器 超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 灵灵 敏敏 度度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档) 频率范围频率范围：0.3100KHz(上上、下限可选下限可选) 噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于输出端小于1mV 归归 一一 化化：外接电阻调整外接电阻调整 线性误差线性误差：1% 最大输出最大输出：5V或或10V 电电 源源：6V15V 特点特点：可组成经济的多点测试系统可组成经济的多点测试系统 主要指标主要指标: 2015/12/6 Sunday 23 其他电荷放大
11、器外形其他电荷放大器外形 面板式电荷放大器面板式电荷放大器 2015/12/6 Sunday 24 多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形 2015/12/6 Sunday 25 第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用 一一、高分子压电材料的应用高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃振薄膜粘贴在玻璃上上，可以感受到玻璃可以感受到玻璃破碎时会发出的振破碎时会发出的振动动，并将电压信号传并将电压信号传送给集中报警系统送给集中报警系统。 粘贴粘贴 位置位置 高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感
12、器 质量块质量块 将厚约将厚约0.2mm左右的左右的PVDF 薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小大小。在它在它 的正反两面各喷涂透明的二氧化的正反两面各喷涂透明的二氧化 锡导电电极锡导电电极，再用超声波焊接上再用超声波焊接上 两根柔软的电极引线两根柔软的电极引线。并用保护并用保护 膜覆盖膜覆盖。 使用时使用时，用瞬干胶将其粘贴用瞬干胶将其粘贴 在玻璃上在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的当玻璃遭暴力打碎的 瞬间瞬间，压电薄膜感受到剧烈振压电薄膜感受到剧烈振 动动，表面产生电荷表面产生电荷Q ，在两个输在两个输 出引脚之间产生窄脉冲报警信出引脚之间产生窄脉冲报警信 号号。 2015/12/6 Sun
13、day 27 压电传感器只能应用于动态测量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在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具即需要测量回路具有无限大的输入阻抗有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的这实际上是不可能的，因因此压电式传感器此压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在压电元件在交变力的作用下交变力的作用下，电荷可以不断补充电荷可以不断补充，可以供给可以供给测量回路以一定的电流测量回路以一定的电流，故故只适用于动态测量只适用于动态测量（一般必须高于一般必须高于100100HzHz，但
14、在但在3030kHzkHz以上时以上时，灵敏灵敏度下降度下降）。）。 2 2压电式周界报警系统压电式周界报警系统 （用于重要位置出入口用于重要位置出入口、周界安全防护等周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥将长的压电电缆埋在泥土的浅表层土的浅表层，可起分布式可起分布式地下麦克风或听音器的作地下麦克风或听音器的作用用，可在几十米范围内探可在几十米范围内探 测人的步行测人的步行, 对轮式或履带对轮式或履带式车辆也可以通过信号处式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来理系统分辨出来。右图为右图为测量系统的输出波形测量系统的输出波形。 3 3. .交通监测交通监测 （包括轴数包括轴数、轴距轴距、单双轮胎单
15、双轮胎）、）、车速监测车速监测、收收 费站地磅费站地磅、闯红灯拍照闯红灯拍照、停车区域监控停车区域监控、交通交通 数据信息采集数据信息采集（道路监控道路监控）及机场滑行道等及机场滑行道等。 将高分将高分子压电电缆子压电电缆埋在公路埋在公路上上，可以获可以获取车型分类取车型分类信息信息： 高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 2015/12/6 Sunday 31 二二、压电陶瓷传感器的应用压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状压电陶瓷多制成片状，称为压电片称为压电片。压电片通常压电片通常是两片是两片（或两片以上或两片以上）粘结在一起粘结在一起，一般常用的是并一般常用的是并 联接法联接法。其总面积是单片的两倍其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷极板上的总电荷Q并并 为单片电荷为单片电荷Q的两倍的两倍。 压电式动态力传感器以及在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车床中用于动态切削力的测量 一
