压电式传感器教案

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1、压电式传感器Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望 压电式传感器是一种典型的有源传感器压电式传感器是一种典型的有源传感器; 压电效应具有可逆性，也是一种典型的压电效应具有可逆性，也是一种典型的”双向传感器双向传感器”。 它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电如目的。非电量的电如目的。特点特点: 工作频带宽

2、，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。工作可靠。应用范围：应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。通信、宇航等领域。上一页下一页返 回4.1 压电式传感器的工作原理某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应

3、。外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。应，或称为电致伸缩现象。上一页下一页返 回什么是压电效应什么是压电效应什么是压电效应什么是压电效应u 常见的压电材料有常见的压电材料有石英石英、钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅锆钛酸铅等。等。4.1.1

4、 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X轴：电轴或轴：电轴或1轴；轴；Y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴；轴；Z轴：光轴或轴：光轴或3轴。轴。 “纵向压电效应纵向压电效应”：沿电轴（：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”：沿机械轴（：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电轴）方向的力作用下产生电荷荷在光轴（在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返 回晶体切片 当沿电轴方向加作用力当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷上产生电荷 dxx压电系数（压电系数（C/N）

5、作用力是沿着机械轴方向作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与电荷仍在与X轴垂直的平面轴垂直的平面上一页下一页返 回此时，此时，石英晶体晶格的对称性石英晶体晶格的对称性 晶体受到晶体受到x x方向的压力方向的压力FxFx作用，晶片将产生厚度变形，并发生作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。极化现象。 在晶体的线性弹性范围内，在在晶体的线性弹性范围内，在x x方向所产生的电荷方向所产生的电荷qxqx与作用力与作用力FxFx成正比，即成正比，即qx=dxx Fxqx=dxx Fx dxx-dxx-压电系数，脚标中第一个压电系数，脚标中第一个x x表示电荷平面的法线方向，第二个表示电荷平面的法线方向，第

6、二个x x表表示作用力的方向。当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体示作用力的方向。当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体的的dxx=2.3110dxx=2.3110-12-12C/NC/N qx- qx-垂直于垂直于X X轴平面上的电荷轴平面上的电荷 Fx- Fx-沿沿X X轴方向施加的作用力。轴方向施加的作用力。u 电荷电荷qx的符号表示受压力还是受拉力；的符号表示受压力还是受拉力；u 切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与与Fx成正比成正比上一页下一页返 回 若在同一切片上若在同一切片上,沿机械轴沿机械轴y方向施加作用力

7、方向施加作用力Fy,则仍在与则仍在与x轴垂轴垂直的平面上产生电荷直的平面上产生电荷qy,其大小为其大小为qy=dxy(L/h)Fy qy-垂直于垂直于x轴平面上的电荷轴平面上的电荷 Fy-沿沿y轴方向施加的作用力轴方向施加的作用力 L、h-晶体切片的长度、厚度晶体切片的长度、厚度 dxy横向压电系数，脚标中第横向压电系数，脚标中第1个个x表示电荷平面的法线方向，第表示电荷平面的法线方向，第2 个脚标个脚标y表示作用力的方向，其大小为表示作用力的方向，其大小为dxy一一dxx，它体现了石，它体现了石 英晶体晶英晶体晶格的对称性。格的对称性。 u 沿机械轴方向作用力在晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸

8、有关沿机械轴方向作用力在晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸有关u 沿沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所产生的电荷极轴作用力所产生的电荷极性是相反的性是相反的上一页下一页返 回 当石英晶体沿当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体轴方向作用力时，由于晶体沿沿x轴方向和轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即效应，即dxz=0上一页下一页返 回石英晶体的压电效应 石英晶体的特性与其内部分子结构有关。一个单元组体中构成石英石英晶体的特性与其内部分子结构有

9、关。一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的轴的xy平面上的投影，等效为一个平面上的投影，等效为一个正六边形排列。正六边形排列。上一页下一页返 回未受外力作用时未受外力作用时：正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互：正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3，如图（，如图（a）。）。 由于由于P=ql，q为电荷量，为电荷量，l为正负电荷之间的距离。此时：为正负电荷之间的距离。此时：P1+P2+P3=0：所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。：所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。当石英

10、晶体受当石英晶体受x轴向压力轴向压力Fx作用作用：如图：如图 (b) ，P1减小，减小，P2、P3增大增大 (P1十十P2十十P3)x0：垂直于：垂直于x轴正向的晶体表面上出现正电荷，其相对面上轴正向的晶体表面上出现正电荷，其相对面上出现等量负电荷。出现等量负电荷。(P1十十P2十十P3)y0、(Pl十十P2十十P3）z0：垂直于：垂直于y轴和轴和 z轴的晶体表面上轴的晶体表面上不出现电荷。不出现电荷。 当石英晶体受当石英晶体受y轴向压力轴向压力F y作用作用：如图：如图(c) ，P1增大，增大，P2、P3减小减小 (P1十十P2十十P3)x0：垂直于：垂直于x轴正向轴正向 的晶体表面上出现负

11、电荷，其相对面上出现等的晶体表面上出现负电荷，其相对面上出现等量正电荷。量正电荷。(P1十十P2十十P3)y0、(Pl十十P2十十P3）z0：垂直于：垂直于y轴和轴和 z轴的晶体表面上轴的晶体表面上不出现电荷。不出现电荷。当石英晶体受当石英晶体受z轴向力作用轴向力作用：因：因z轴向力与片内离子平面轴向力与片内离子平面xy垂直，故不会引起垂直，故不会引起离子在离子在xy平面上位移，平面上位移， P1+P2+P3=0 ，晶体表面不会出现电荷。，晶体表面不会出现电荷。 上一页下一页返 回4.1.2 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。 上一页下一页返 回 具

12、有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在末极化之前各电畴的极化方具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在末极化之前各电畴的极化方向在晶体内杂乱分布，如图向在晶体内杂乱分布，如图 (a)所示，极化强度相互抵消为所示，极化强度相互抵消为0，对外呈中性，不，对外呈中性，不具备压电效应。具备压电效应。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须对压电陶瓷进行极化处理，即对其施为了使压电陶瓷具有压电效应，必须对压电陶瓷进行极化处理，即对其施加一定电压的直流电场，使晶体内各电畴的极化方向发生转动，经加一定电压的直流电场，使晶体内各电畴的极化方向发生转动，经23小时后，小时后，各电畴极化方向趋于外电场方向，从而实现极化

13、处理。极化处理后，当外电场各电畴极化方向趋于外电场方向，从而实现极化处理。极化处理后，当外电场去掉时，晶体内还存在着很强的剩余极化强度，晶体表面不出现电荷，仍保持去掉时，晶体内还存在着很强的剩余极化强度，晶体表面不出现电荷，仍保持电中性电中性 状态，但此时已具有足够强的压电效应特性。状态，但此时已具有足够强的压电效应特性。 陶瓷片压电效应陶瓷片压电效应 经极化处理后的压电陶瓷，当受到外来与极化方向相同的均匀分布力作用经极化处理后的压电陶瓷，当受到外来与极化方向相同的均匀分布力作用 时，在时，在晶体两个镀银的极化面晶体两个镀银的极化面(与极化方向垂直的面与极化方向垂直的面)上出现大小相等、极性相

14、反上出现大小相等、极性相反 的电荷，即的电荷，即产生压电效应。产生压电效应。纵向压电效应纵向压电效应：在：在z轴方向轴方向(极化方向极化方向)作用力作用力Fz下所产生的压电效应。下所产生的压电效应。 当作用力当作用力Fz方向改变时，压电效应所产生的电荷极性也跟着改变，电荷量大小方向改变时，压电效应所产生的电荷极性也跟着改变，电荷量大小qzzdzzFz dzz纵向压电系数，脚标中第纵向压电系数，脚标中第1个个z表示电荷平面的法线方向表示电荷平面的法线方向(极化极化 方向方向)，第，第2个脚标个脚标z表示作用力的方向。表示作用力的方向。 横向压电效应：横向压电效应：在垂直于在垂直于z轴方向作用力轴

15、方向作用力Fx或或Fy下所产生的压电效应。下所产生的压电效应。 由于由于z轴轴(极化方向）是压电陶瓷晶体的对称轴，极化方向）是压电陶瓷晶体的对称轴， 垂直于垂直于z轴的轴的x轴和轴和y袖是互易的，袖是互易的，即沿即沿x轴和轴和y轴方向作用力所引起的横向压电效应是相同的。轴方向作用力所引起的横向压电效应是相同的。 电荷极性决定于作用力的方向，其电荷极性决定于作用力的方向，其 电荷量大小由下式确定：电荷量大小由下式确定：dzxdzy横向压电系数，脚标中第横向压电系数，脚标中第1个个z表示电荷平面表示电荷平面(极化面极化面)的法的法 线方向线方向(极化方向极化方向)，第，第2个脚标个脚标x或或y表表

16、示作用力的方向。示作用力的方向。S1被极化的面积，被极化的面积，S2受均匀分布力的面积。受均匀分布力的面积。 上一页下一页返 回4.2 压电传感器测量电路4.2.1 压电元件及其等效电路压电元件及其等效电路4.2.2 电压输出型测量电路电压输出型测量电路4.2.3 电荷输出型测量电路电荷输出型测量电路上一页下一页返 回4.2.1 压电元件及其等效电路上一页下一页返 回 以压电效应为基础的压电传感器是一种具有以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一非电量测量时，为了提高灵敏

17、度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。接入高输入阻抗的前置放大器。1 串联输出型压电元件结论：结论：串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和，可等效为串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和，可等效为电压输出型的电压源。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入电压输出型的电压源。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。阻抗很高的地方。上一页下一页返 回2 并联输出型压电元件结论：结论：并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和，可等效为并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和

18、，可等效为电荷输出型的电荷源。适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量电荷输出型的电荷源。适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。的地方。上一页下一页返 回压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压压电电式式传传感感器器要要求求负负载载电电阻阻RL必必须须有有很很大大的的数数值，才能使测量误差小到一定数值以内。值，才能使测量误差小到一定数值以内。因因此此常常先先接接入入一一个个高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器，然然后再接一般的放大电路及其它电路。后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作

19、用前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；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。把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返 回4.2.2 电压输出型测量电路上一页下一页返 回 串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。电压输

20、出型测量电路原理图（1）电压放大器Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容：放大器的输入电容上一页下一页返 回等效电阻等效电阻: 压电元件的力压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d，产生的电荷为，产生的电荷为Q = dF。其幅值其幅值: 上一页下一页返 回等效电容等效电容: 放大器的输入电压放大器的输入电压: 当当R(C+Ca)1R(C+Ca)1时时, ,上式简化为上式简化为: 上一页下一页返 回结论结论:1. 放大器的输入

21、放大器的输入Uim与作用力与作用力F的频率无关，因此具有较好的高频响的频率无关，因此具有较好的高频响应特性；应特性；2. 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。原时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。3. 改变压电传感器的引线电缆长度时，其电缆电容改变压电传感器的引线电缆长度时，其电缆电容Cc的变化将引起的变化将引起放大器输入信号放大器输入信号Uim的变化。因此在测量中通常电缆长度需固定的变化。因此在测量中通常电缆长度需固定（Cc为常数），否则会产生测量误差。为常数），否则会产生测

22、量误差。4. 电压灵敏度电压灵敏度Ku 即灵敏度与电路电容大小成反比关系，所以一般要求放大器的即灵敏度与电路电容大小成反比关系，所以一般要求放大器的内阻内阻Ri增大（电容增大（电容C降低），则满足降低），则满足R(C+Ca)1的条件，并且传的条件，并且传感器有较好的低频响应，从而提高了灵敏度感器有较好的低频响应，从而提高了灵敏度传感器的低频响应范围 l如如果果被被测测物物理理量量是是缓缓慢慢变变化化的的动动态态量量，而而测测量量回回路路的的时时间间常常数数又又不不大大，则则造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降。因因此此为为了了扩扩大大传传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。感

23、器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。l但但这这不不能能靠靠增增加加测测量量回回路路的的电电容容量量来来提提高高时时间间常常数数，因因为为传传感感器器的的电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比比的的，切切实实可可行行的的办办法法是是提提高高测测量量回回路路的的电电阻阻。由由于于传传感感器器本本身身的的绝绝缘缘电电阻阻一一般般都都很很大大，所所以以测测量量回回路路的的电电阻阻主主要要取取决决于于前前置置放放大大器器的的输输入入电电阻阻。放放大大器器的的输输入入电电阻阻越越大大，测测量量回回路路的的时时间间常常数数就就越越大，传感器的低频响应也就越好。大，传感器的低频响应也就越好。上

24、一页下一页返 回电压放大器应用限制l压压电电式式传传感感器器在在与与电电压压放放大大器器配配合合使使用用时时，连连接接电电缆缆不不能能太太长长。电电缆缆长长，电电缆缆电电容容Cc就就大大，电电缆缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。l电电压压放放大大器器与与电电荷荷放放大大器器相相比比，电电路路简简单单，元元件件少少，价价格格便便宜宜，工工作作可可靠靠，但但是是电电缆缆长长度度对对传传感感器器测测量量精精度度的的影影响响较较大大，在在一一定定程程度度上上限限制制了了压压电式传感器在某些场合的应用。电式传感器在某些场合的应用。上一页下一页返 回解决电缆问题

25、的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。上一页下一页返 回压电式加速度传感器 压电式加速度传感器的压电元件是压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。石英晶体灵敏度低的缺陷。 4.2.3 电荷输出型

26、测量电路上一页下一页返 回 并联输出型压电元件可以等效为电荷源。由于压电效应产生的电荷并联输出型压电元件可以等效为电荷源。由于压电效应产生的电荷量很小，达到级电流。因此在接成电荷输出型测量电路时，也要求量很小，达到级电流。因此在接成电荷输出型测量电路时，也要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且还需要有极高的输入阻抗。前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且还需要有极高的输入阻抗。电荷输出型测量电路原理图放大器放大器Uo输出分析输出分析 其中：其中：Qi放大器输入电荷放大器输入电荷 Q 传感器的电荷（传感器的电荷（q） Qf放大器反馈电荷放大器反馈电荷当当上一页下一页返 回忽略忽略Ra、Ri、RF

27、的分流作用，则输入电荷：的分流作用，则输入电荷： 由此可得由此可得: 时，即时，即A1：上一页下一页返 回结论结论:1. 放大器的输出放大器的输出Uo正比于信号正比于信号Q，线性转换；，线性转换；2. 灵敏度灵敏度 其大小取决于反馈电容其大小取决于反馈电容CF的大小；的大小；3. 与电压放大器不同，电缆电容与电压放大器不同，电缆电容Cc与放大器输入电容与放大器输入电容Ci不会对输出不会对输出Uo产生影响，故电缆引线长度变化不会带产生影响，故电缆引线长度变化不会带来测量误差。来测量误差。压电式传感器另一种专用的前置放大器。压电式传感器另一种专用的前置放大器。能能将将高高内内阻阻的的电电荷荷源源转

28、转换换为为低低内内阻阻的的电电压压源源，而而且且输输出出电电压压正正比比于于输输入入电电荷荷，因因此此，电电荷荷放放大大器器同同样样也也起起着着阻阻抗抗变变换换的的作作用用，其其输输入入阻阻抗抗高达高达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于100。使使用用电电荷荷放放大大器器突突出出的的一一个个优优点点：在在一一定定条条件件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。上一页下一页返 回4.3 压电传感器的应用上一页下一页返 回4.3.1 压电式力传感器压电式力传感器4.3.2 压电式压力传感器压电式压力传感器4.3.3 压电式加速度传感器压电式加速度传感器4.3.

29、4 压电传感器的应用实例压电传感器的应用实例测试原理上一页下一页返 回 压电传感器的物理基础是压电效应，压电压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用力的大小和方向。由此可见，压电传感定作用力的大小和方向。由此可见，压电传感器可以直接用于测力，或测与力相关的压力、器可以直接用于测力，或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。位移、振动加速度等。 上一页下一页返 回上一页下一页返 回上一页下一页返 回上一页下一页返 回上一页下一页返 回

30、4.3.1 压电式力传感器 压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 电电转换的传感器。转换的传感器。变形方式变形方式：利用纵向压电效应的：利用纵向压电效应的TE方式（厚度变形）最方式（厚度变形）最 简便。简便。材料选择材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目晶片数目：在拉、压场合：在拉、压场合,通常采用双片或多片石英晶体通常采用双片或多片石英晶体作压电元件，可以使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍。作压电元件，可以使传感器的电荷输出灵敏度

31、增大一倍。上一页下一页返 回单向压电式测力传感器 压电式单向测力传感器压电式单向测力传感器上一页下一页返 回u 压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片，压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片， 实现力与电的转换实现力与电的转换;u 上盖为传力元件，受力后产生弹性变形，将作用力传递到压电元件上上盖为传力元件，受力后产生弹性变形，将作用力传递到压电元件上u 聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位，基座作为支承及外壳，其内外表聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位，基座作为支承及外壳，其内外表面与晶片、电极、上盖内表面的平行度和表面光洁度都有极严格的要求。面与晶片、电极、上盖内表面的平行度和表面光洁度都有极严格

32、的要求。优点优点：体积小、质量轻：体积小、质量轻(约约10g)，固有频率高，固有频率高(约约50一一60kH z)，最大可测动，最大可测动态力态力105N，最小分辨率可达，最小分辨率可达1g以下。以下。 4.3.2 压电式压力传感器 膜片式压电压力传感器膜片式压电压力传感器 上一页返 回u 压电元件为两片纵向电效应石英品片，具有压电元件为两片纵向电效应石英品片，具有良好的线件度和长时间稳定性；良好的线件度和长时间稳定性；u 作用到受压膜片上的压力，通过传力块作用作用到受压膜片上的压力，通过传力块作用到压电元件上，到压电元件上， 使晶片产生厚度变形；使晶片产生厚度变形；u 传力块和电极片一般采用

33、不锈钢制作，以确传力块和电极片一般采用不锈钢制作，以确保压力能均匀、快速、无损耗地传递到压电元保压力能均匀、快速、无损耗地传递到压电元件上；件上；u 外壳和机座应有足够机械刚度，机座和传力外壳和机座应有足够机械刚度，机座和传力块与晶片的接触面要有良好的平行度和光洁度。块与晶片的接触面要有良好的平行度和光洁度。优点优点：有较高灵敏度和分辨率，测压范围宽。：有较高灵敏度和分辨率，测压范围宽。 4.3.3 压电式加速度传感器上一页下一页返 回 压电式加速度传感器是最常用的一种加速压电式加速度传感器是最常用的一种加速度计，在各种测振传感器中，压电式加速度度计，在各种测振传感器中，压电式加速度传感器约占

34、传感器约占80。主要优点主要优点：u 固有频率高固有频率高u 高频高频(几十千赫几十千赫)和低频和低频 (0.3Hz)性能都好性能都好u 体积小、质量轻、便于集成体积小、质量轻、便于集成上一页下一页返 回1 工作原理工作原理按结构分：按结构分：u 基于纵向压电效应的压缩型基于纵向压电效应的压缩型u 基于减切效应的减切型基于减切效应的减切型u 组合结构的复合型组合结构的复合型上一页下一页返 回结构说明结构说明压电元件压电元件：一般由两片压电晶体或压电：一般由两片压电晶体或压电陶瓷织成；陶瓷织成； 质量块质量块：放置在压电元件上，接触面须：放置在压电元件上，接触面须平整平整 光沽；光沽；锁定弹簧锁

35、定弹簧(或螺帽或螺帽)：应有足够的刚度，：应有足够的刚度，用以对质量块施加预压缩载荷；用以对质量块施加预压缩载荷；加厚基座和金属外壳加厚基座和金属外壳：用以避免压电元：用以避免压电元件受其它应力影响而产生假信号输出。件受其它应力影响而产生假信号输出。 压电元件的极化表面镀银，引出线压电元件的极化表面镀银，引出线焊接在镀银层上，或通过电极金属片引焊接在镀银层上，或通过电极金属片引出；另一根引出线可直接与金属基座相出；另一根引出线可直接与金属基座相连。连。 压缩型结构原理图压缩型结构原理图上一页下一页返 回测量原理测量原理 振动测量时，由于传感器基座与被测振体刚性固定在一起，传感振动测量时，由于传

36、感器基座与被测振体刚性固定在一起，传感器直接感受振体的振动。由于传感器内锁定弹簧刚度相当大，而质量器直接感受振体的振动。由于传感器内锁定弹簧刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块本身的惯性很小；因此，质量块块的质量相对较小，可以认为质量块本身的惯性很小；因此，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。作用。u 压电元件随振动压电元件随振动上移上移时：质量块产生的惯性力使压电元件上的压时：质量块产生的惯性力使压电元件上的压力增加；力增加；u 压电元件随振动压电元件随振动下移下移时：质量块产生的惯

37、性力使压电元件上的压时：质量块产生的惯性力使压电元件上的压力减小。力减小。结论结论：质量块对压电元件的惯性力，：质量块对压电元件的惯性力， 相当于一个正比于振动加速度相当于一个正比于振动加速度的交变力作用在压电元件上，使压电元件产生正比于此作用力的压电的交变力作用在压电元件上，使压电元件产生正比于此作用力的压电效应，亦即效应，亦即压电效应输出的电荷压电效应输出的电荷(或电压或电压)正比于振动的加速度正比于振动的加速度。 上一页下一页返 回2 灵敏度灵敏度定义：压电效应所产生的输出量与输入量的比值。定义：压电效应所产生的输出量与输入量的比值。电荷灵敏度电荷灵敏度Kq和电压灵敏度和电压灵敏度Ku分

38、别为：分别为：结论：灵敏度与压电系数结论：灵敏度与压电系数d成正比，与质量成正比，与质量m成正比。成正比。增加质量：影响被测体振动状态增加质量：影响被测体振动状态灵敏废的提高方法：选择压电系数大的材料作压电元件，一般采灵敏废的提高方法：选择压电系数大的材料作压电元件，一般采用压电陶瓷作压电元件。用压电陶瓷作压电元件。 上一页下一页返 回3 集成压电式加速度传感器集成压电式加速度传感器集成压电式加速度传感器集成压电式加速度传感器集成压电式加速度传感器集压电元件和集成压电式加速度传感器集压电元件和专用放大器于一体。专用放大器于一体。 阻抗变换器：超小型静电放大器，它与阻抗变换器：超小型静电放大器，

39、它与压电元件之间的连线极短，引线电容几压电元件之间的连线极短，引线电容几乎为乎为0，对传感器灵敏度不产生影响。，对传感器灵敏度不产生影响。优点：输出电压高优点：输出电压高(可达几伏可达几伏)、输出阻、输出阻抗低，可以用普通同轴电缆输出信号，抗低，可以用普通同轴电缆输出信号，而不必接附加放大器，可自接与示波器、而不必接附加放大器，可自接与示波器、记录仪或普通指示表相连。记录仪或普通指示表相连。 4.3.4 4.3.4 压电传感器的应用实例压电传感器的应用实例 一、高分子压电材料的应用一、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上，

40、振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。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器质量量块 将将厚厚约约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极，再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线线。并并用用保保护膜覆盖。护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的

41、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，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q ，在两个输出引，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。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 由于外力作用在由于外力作用在压电元件上元件上产生的生的电荷只有荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具量回路具有无限大的有无限大的输入阻抗，入阻抗，这实际上是不可能的，因上是不可能的，因此此压电式式传感器感器不能用于静不能用于静态测量量。压电元件在元件在交交变力的作用下，力的作用下，电荷可以不断荷可以不断

42、补充，可以供充，可以供给测量回路以一定的量回路以一定的电流，故只适用于流，故只适用于动态测量量（一般必（一般必须高于高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以上以上时，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、周界安全防（用于重要位置出入口、周界安全防护等）等） 将将长的的压电电缆埋在泥埋在泥土的浅表土的浅表层，可起分布式，可起分布式地下麦克地下麦克风或听音器的作或听音器的作用，可在几十米范用，可在几十米范围内探内探测人的步行人的步行, 对轮式或履式或履带式式车辆也可以通也可以通过信号信号处理系理系统分辨出来。右分辨出来。右

43、图为测量系量系统的的输出波形。出波形。3.3.交通监测交通监测 将高分子将高分子压电电缆埋在公路上，可以埋在公路上，可以获取取车型分型分类信息信息（包括（包括轴数、数、轴距、距、轮距、距、单双双轮胎）、胎）、车速速监测、收、收费站地站地磅、磅、闯红灯拍照、停灯拍照、停车区域区域监控、交通数据信息采集（道路控、交通数据信息采集（道路监控）及机控）及机场滑行道等。滑行道等。高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子将两根高分子压电电缆相距相距若干米若干米，平行埋，平行埋设于柏油公路于柏油公路的路面下的路面下约5cm，可以用来，可以用来测量量车速及汽速及汽车的的载重量，并根据存重

44、量，并根据存储在在计算机内部的档案数据，判定汽算机内部的档案数据，判定汽车的的车型。型。 二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电片的并片的并联接法接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常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，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的两倍，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 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用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压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力