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第6章压电式传感器1880年居里兄弟压电式传感器的工作原理 卯7R九某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电 荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种 有源传感器。特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲 击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。X但不适用于静态参数的测量派一、压电效应正压电效应：利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷去掉外力后，电荷消失，状态复原作用力相反，电荷极性也发生变化机械量O-压电元件-O电量O逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发 生形变。工一42二、压电材料压电晶体石英晶体(SiO2)钛酸钢(BaTiO3)压电陶瓷错钛酸铅(PZT)高分子材料 T 聚偏二氟乙烯(PVDF)复合压电材料-工工 一4 3压电材料主要特性参数压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度 弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性 介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率 机械耦合系数：衡量压电材料机一电能量转换效率的重要参 数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：材料开始丧失压电特性的温度,如石英573。-12O1ST1-4 41、石英晶体天然形成的石英晶体外形.-工Ek，.，2O1ST1-4天然形成的后央晶体外形2O1ST1-4(O石英晶体切片及封装石英晶体薄片片双面镀银并封2。工工一4石英晶体化学式为 SiO2,是单晶体结 构。右图表示了天 然结构的石英晶体 外形。它是一个正 六面体。特点：1）晶体各个方向的特性不相同2）Z轴（光轴）方向没有压电效应3）X轴（电轴）面压电效应最强4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大235 T工一 48光轴Qx=dnF 纵向压电效应)=-心7携向压电效应 5电系数二)Qz二针二22压电效应电荷Qx和Qy的符 号由受拉力还是 受压力决定2O1ST1-4q石英晶体压电模型不受力正常情况下石 英体中正负电 荷处于平衡，外部呈中性。晶体在y方向受力晶体在x方向受力正负电荷产生移动，出现带电现象。2015-工工一 48石英晶体压电模型连接+Q和-Q两个点电荷的直线称为电偶极 子的轴线，从-Q指向+Q的矢径1和电量Q的 乘积定义为电偶极子的电矩称为电偶极矩P2 P3当石英晶体未受 外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶Y上，形成三个、感120。夹角的电偶极矩Pi、P2 P3o如图所示。2O1ST1-411石英晶体压电模型X Ay-2。15-工1一4当石英晶体受 到沿X轴方向的 压力作用时,晶 体沿X方向将产 生压缩变形,正 负离子的相对 位置也随之变 动。12石英晶体压电模型和P2、P3的增加而不等于零此时正负电荷 重心不再重合,电偶极矩在X 方向上的分量 由于P1的减小X Ay P3减小。在 X轴上出现电-荷，它的极性 为X轴正向为 正电荷。在y 轴方向上不 出现电荷。2O1S11-418石英晶体压电模型 当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性 也随之改变，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。如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方 向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负 电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生 压电效应。2、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的 晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而 存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的 极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原 始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。25Tl-42。压电陶瓷及其换能器外形2O1ST1-421无铅压电陶瓷及其换能器外形2O1ST1-422压电陶瓷一极化处理后的人工多晶铁电体电畴无序排列电畴有序排列电畴基本有序23压电陶瓷在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向 于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有 电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强 度很大，这时的材料才具有压电特性。24压电陶瓷的正压电效应:当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时，电畴的界限 发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33 F式中：d33压电陶瓷的压电系数F一作用力25Tl-425压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温 度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。目前使用较多的压电陶瓷材料是错钛酸铅，它是钛酸领(BaTiO3)和错酸铅(PbZrO3)组成，有较高的压电系 数和较高的工作温度。2。工 5Tl-42&3、新型压电材料一压电聚合物PVDFPVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏 二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现，具有很强 的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元 件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉 接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测 等应用，在生物医学领域广泛应用。27高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆2O1ST1-42g三、压电式传感器1、概述压电式传感器的基本原理是利用压电材料 的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传 感器就有电荷（或电压）输出。电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量 回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以 压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力 的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量 回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在 50kHz以上时，灵敏度下降）。2Q2、等效电路压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质 上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面 相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电 容量为：e压电陶瓷或石英晶体的介电常数A极板面积d-压电元件厚度30当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效:电压等效:Q=CaUa31实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容 Ce放大器的输入电阻Ri、输入电容G以及传感器 的泄漏电阻Ra。实际等效电路如图所示：323、压电元件的连接多片压电元件的组合单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传 感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上 同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性 因素，其连接法分为串联和并联两种。331）串联 cC=-U=nu Q=Qn串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高 频信号测量场合。+2）并联Q=nC Ue=U Q=nQ并联使压电传感器时间常数增大,+电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低 频信号测量场合。-工工一4344、压电元件的分类-力力厚度变形 长度变形体积变形按受力和形变方式厚度剪切变形5、预载在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力 的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此，在测量时需要加入预加力一一预载。这样，不仅消除压力使 用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提 高刚度。在测量拉力、拉一压交变力及剪力和扭矩时必须给 压电传感器施加预载。四、测量电路压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较 小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的 前置放大器。其作用为：将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗；放大传感器输出的微弱信号。工一4361、电压放大器一一阻抗变换器图中 R=RaR/(Ra+R),C=Ce+Ci,Ua=q/Ca2O1ST1-437当受正弦力f=Fmsin 31作用时：压电元件输出电压：dFUn=sin cot-Um sin cot a 二 m。a放大器输入端电压为：/丁 m j R.U：=d町-z-r sm cot1 m 1+jR（Ca+C）放大器输入端电压幅值为:Uim()=I-dFmcoR m+#r2 c+Q+G）2O1ST1-438理想情况下，传感器电阻Ra和放大器输入电阻Ri都 为无限大，即3(Ca+Ce+G)R1,此时输入电压 幅值Uim为：UimdFmQ+G+G放大器输入电压Uim与频率无关。实际应用中，当 3/3。3时，就可认为以上式成立。_ 1 _ 1 gTC+Q+C,)H注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感 器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。2O1ST1-439a由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分 流，故可略去R。2O1ST1-4根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器 得输出电压：AqU=-J-7 g+Q+G+(i+A)g通常A=1()4108,当有(1+A)CfCa+Ce+Ci0,上式变为：U。一工 c电荷放大器的输出电压U。只与输入电荷q(成正比)和反馈电容Cf(100104pF)有关，而与电缆电容 Ce无关2。25Tt-441五、应用石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机 等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电 子、电子游戏机等领域422O1ST1-443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2。工5T工一4压电传感器测量 双腿跳的动态力高分子压电薄膜制作的压电喇叭2O1ST1-445可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板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。-447高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器将厚约0.2 mm左右的PVDF 薄膜裁制成10 x2 0mm大小。在它 的正反两面各喷涂透明的二氧化 锡导电电极，再用超声波焊接上 两根柔软的电极引线。并用保护 膜覆盖。质量块 使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动,表面产生电荷2,在两个输出引 脚之间产生窄脉冲报警信号。235-1工一4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，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。4Q交通监测BU.S)篇 3-1!J口将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。2。15-工1一450压电加速度传感器的安装及使用a）双头螺丝固定b）磁铁吸附c）胶水粘结d）手持探针式1压电式加速度传感器 2双头螺栓 3磁钢4粘接剂 5顶针2O1ST工一 45工汽车爆震测量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。52汽车爆震波形工一4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 电传感器检测并鞫忆-5,3海啸预警系统地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生 巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时,海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海 浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送 到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。54地震波检测2O1ST1-455气象接收及 发射天线接妥传酶部发来的ft炽：发送无段电依 号到人造:RB。也把评标上 r*仪部的 敏班传送出去传发无饯电信号；地而站的电用计海 崛的发生地点通度和到达南同；给处于 气险中的地区发送实时ffi一深海地沟海底压力记录Ha 委育1陛米 以上的内酒通过传酰健受这种压力变化本节小结:什么是压电式传感器及其工作原理?什么是压电效应?压电材料有几类，其主要特性参数?石英晶体结构？其对应方向轴名称及特性?简述石英晶体压电模型?压电陶瓷工作原理?用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗?为什么压电式传感器多采用电荷放大器？压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？57