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1、2021/12/161“十二五”职业教育国家规划教材自动检测与转换技术 （机电类）第4版2021/12/162本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、压电元件、等效电路、电荷放大器、压电传感器的结构及应用，振动的基本概念、振动传感器及振动频谱分析等。 第六章 压电传感器有一些页面的文字较多，请教师根据自己的专业方向做减法。2021/12/163第一节压电传感器的工作原理第二节压电传感器的测量转换电路第三节压电传感器的结构和应用第四节振动测量及频谱分析第六章 压电传感器 目录进入进入进入进入第一节压电传感器的工作原理压电式传感器的特点：是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用
2、下，在电介质表面产生电荷，从而实现电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。現在時間是：20:40一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F 成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造材料也具有压电效应。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）。石英晶体石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中
3、有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。天然石英晶体外形天然石英晶体外形（续）天然石英晶体的结构及剖面天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴；经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴。天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进一步从该正六面体上切
4、割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。石英晶体切片的三个面（续）在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷；在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。L、b分别为石英晶片的长度、厚度和高度。电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧。石英晶体的特性石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。石英
5、的d11系数相对于20的d11温度变化特性石英在高温下相对介电常数的温度特性石英晶体的切片石英晶体片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装天然石英晶体的x轴向受力产生电荷极性在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx式中的d11称为压电常数。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；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。1正电荷等效中心2负电荷等效中心压电效应的微观分析未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠，从宏观上看，整体不带电。1正电荷等效中心2负电
6、荷等效中心晶体沿x 面受压力时的带电情况分析石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看，x面的上表面带正电，下表面带负电。Q=d11Fx1正电荷等效中心2负电荷等效中心晶片沿 x 面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离,x面的上表面带负电,下表面带正电。受交变力时，产生交变电信号。交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。对压电元件施加交变力，产生交变电荷产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源。如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称
7、为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。逆压电效应清代诗人苏履吉赞颂鸣沙“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”鸣沙山上的逆压电效应鸣沙丘煤气灶压电点火器另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲击多块串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气。压电陶瓷还可以制成电子打火机，可使用100万次以上。24煤气灶上的点火器有两种。一种为有源点火器，要依靠干电池逆变电路产生高压电火花；二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料常用的有三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是经过极化处理的高分子压电材料。压电材料的分类.（一）石英晶
8、体石英晶体在20200的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/。具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小：d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。 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。晶振石英晶体还可制作晶体振荡器（晶振）（二）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，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
9、用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电陶瓷外形压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是一种多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件下，经1000以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上千伏高电压进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。压电陶瓷的极化
10、处理 a）极化处理前电畴杂乱分布b）在极化电压下的电畴分布c）冷却、稳定后的电畴分布1镀银上电极2压电陶瓷3镀银下电极4电畴5极化高压电源细微的电畴极化方向常用的压电陶瓷材料（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数d（200500）10-12C/N。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超
11、过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。无铅压电陶瓷锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。（三）高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（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。高分子压电材料（续）高分子压电材料是一种柔性的压
12、电元件。密度仅为压电陶瓷的14，弹性柔顺常数比陶瓷大30倍。可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1m，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、扬声器等。高分子压电薄膜及拉制、切片高分子压电材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的成品，因此价格便宜。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可
13、从0.1Hz直至109Hz。工作温度一般低于100。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。高分子压电材料制作的压电垫和压电电缆可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式门口压电式脚踏报警器高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）第二节压电传感器的测量转换电路压电传感器的输出阻抗较大，要求电压放大器具有较大的输入阻抗。又由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属于Q/U转换器，但并无放大电荷的作
14、用，只是一种习惯叫法。回目录外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。 一、压电元件的等效电路交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra。极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比；漏电电阻Ra应大于1M。a）结构示意图b）压电元件的符号c）压电元件的等效电路1镀银上电极2压电晶体3镀银下电极二、电荷放大器1.电荷放大器原理电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路。当放大器开环增益A 和输入电阻R i、反馈电阻Rf（用
15、于防止放大器的直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Uo正比于输入电荷Q，反比于反馈电容Cf，而基本上与Cc、Ca、Ci无关：2.电荷放大器电路1压电传感器2屏蔽电缆线3传输线分布电容4电荷放大器SC灵敏度选择开关SR带宽选择开关CfCf 在放大器输入端的密勒等效电容CfCf在放大器输出端的密勒等效电容电荷放大器的4级放大电路框图压电传感器与电荷放大器及后续仪表的连接.四通道电荷放大器外形.某电荷放大器的前后面板某电荷放大器指标灵敏度：0.11000mV/pC可调（pC是“皮库伦”）；频率范围：0.3100kHz；噪声(最大增益时)：折合至输入端小于5V；准确度：1%；最大输出：10V或10mA
16、；电源：220V/50Hz；控制方式：计算机、遥控或手动。超小型电荷放大器模块灵敏度：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：电容调整线性误差：1%最大输出：5V或10V可选电源：15V特点：可组成经济的多点测试系统。主要性能指标:焊接式电荷放大器其他电荷放大器外形面板式电荷放大器多通道电荷放大器外形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3Hz，但在30kHz以上时，灵敏度下降）。第三节压电传感器的应用（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。 粘贴位置回目录 足球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10
