1、1,第六章 压电传感器,主要内容 1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用,2,概述,压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。,压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,3,4,6.1 压电效应,某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷； 当外
2、力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变； 这种现象称压电效应。,5,压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。 所以压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能。,6,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。,7,压电效应及其表达式,压电元件的力、电分布,8,9,10,6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体,自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛
3、酸铅是优能的压电材料。 压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，使用时用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。,11,天然形成的石英晶体外形,12,天然形成的石英晶体外形（续）,13,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,14,(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而
4、沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。,15,16,压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数,在X轴方向施力时,产生电荷大小为: F1为X方向应力,在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: F2为Y方向应力,压电系数 -d11=d12 为常数 a 、b是晶体切片几何尺寸(长 、厚),17,18,石英晶体压电模型,19,石英晶体的上述特征与内部分子结构有关： 当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩， 晶体呈中性； 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现负
5、电荷；,20,石英晶片上电荷极性与受力方向的关系,21,石英晶体,22,石英晶体的压电效应,23,6.2.2 压电陶瓷（多晶体）,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）。,24,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。 无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。,25,26,施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场 方向排列。外电
6、场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。,27,晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：,电荷密度： d33压电陶瓷的纵向压电常数， d33 比d11、 d12大的多， 所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高,28,BaTiO3 压电陶瓷的极化,29,压电陶瓷的压电效应,30,压电陶瓷外形,31,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,32,6.2.3 高分子压电材料,典型的高分子压
7、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。,33,聚偏氟乙烯压电材料,聚偏氟乙烯压电效应,34,高分子压电薄膜及拉制,35,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,36,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,37,压电式脚踏报警器,38,高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应）,39,6.3 压电元件结构形式,单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵
8、敏度， 在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。,40,在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。 ,压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。 为此， 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。 特别是，它只有在加预
9、载后才能用压电传感器测量拉力和拉、 压交变力及剪力和扭矩。,41,6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器等效电路,由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器， 晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质， 则其电容量为,式中： A压电片的面积； d压电片的厚度； r压电材料的相对介电常数。,42,压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。,电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为,43,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆
10、的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri , 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图所示。,压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,44,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,6.4.2 压电式传感器的测量电路,45,接口电路,压电传感器等效电路,46,1.电压放大器（阻抗变换器）
11、图（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。,47,2. 电荷放大器,48,6.5 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,49,50,压电式玻璃破碎报警器,51,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1020mm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。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
12、荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,52,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100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。,53,2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
13、统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,54,55,3.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。,56,57,二、压电陶瓷传感器的应用,压电片的并联接法,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，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。,58,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,59,60,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
14、跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,61,振动测量及频谱分析,一、振动的基本概念,振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。,62,地震的巨大威力,63,地震波形,64,二、测振传感器分类,测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。,65,三、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,66,67,四
15、、压电振动加速度传感器的性能指标（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）,技术指标： 灵敏度：500mV/g 量程：10g 频率范围：4-4000Hz 安装谐振点:15kHz 分辨力：0.00004g 重量：40g 安装螺纹：M5 mm 线性：1%,68,五、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,69,六、压电振动加速度传感器在汽车中的应用,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
16、又能使发动机输出尽可能大的扭矩。,70,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。,71,爆震测量,72,七、振动的频谱分析及仪器,时域图形,测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪.,73,频谱仪,频域图形（频谱图）,频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等
17、。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。,74,频谱仪外形（续）,频域图（频谱图）,（参考深圳安泰信电子有限公司资料）,75,频域图形,对应于时域波形（失真的正弦波）的谱线图,76,依靠频谱分析法进行故障诊断,减速箱故障分析,a）时域波形 b）频域波形,77,爆破振动记录仪,打印机,78,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。,海啸预警系统,79,气象接收及发射天线,振动压力传感器,6000m海底,浮标,深海地沟,
