1、本章学习压电传感器的工作原理、测量转换电路、应用及（动态测量）振动频谱分析。,第六章 压电传感器,第一节 压电传感器的工作原理,压电式传感器是一种自发电式、有源传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。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。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。,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。当晶体薄片有些向对
2、面受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造的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。,压电效应归纳,（正）压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，其又重新恢复到不带
3、电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变的现象。机械能电能（逆）压电效应：当在某些电介质极化方向施加（交变）电场，这些电介质也会产生机械变形的现象；当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失的现象。常称（电致伸缩效应）。电能机械能具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机械能电能的相互转换，如图6-1所示。,二、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有三类： 第一类是：压电晶体（如上述的石英晶体）； 第二类是：经过极化处理的压电陶瓷； 第三类是：高分子压电材料。,压电材料的主要特性参数有：（1）压电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。
4、 （2）弹性常数压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3）介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。,（4）机械耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。,常用压电材料的性能参数。,一、石英晶体石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图6-2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正
5、六面体，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轴称为电轴；与x和z轴同时垂直，垂直的六面体棱面的轴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方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。,若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2（c）所示晶片。当在电轴方向施加作用力时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为：qx = d11 Fx (6 - 1)式中：d11x方向受力的压电系数；Fx 作用力。,若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力fy，则仍在与x
6、轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为：qy=(d12 Fy) （6 - 2） 式中：d12y轴方向受力的压电系数， d12=-d11；a、b 晶体切片长度和厚度。电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。,石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关，图6-3是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z轴的x-y平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“”代表Si4+离子， “”代表氧离子O2-。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角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图6 - 3（a）所示。,因为P=qL，q为电荷量，L为正负电荷之间距离。晶
7、体不受外力作用时，正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3 = 0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。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。如图6-3（b）所示，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的减小和P2、P3的增加而不等于零，即（P1+P2+P3）0。在x轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。,晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-3（c）所示，与图6-3（b）情况相似，P1增大, P2、P3 减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方
8、向上不出现电荷。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。 当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。,（一）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,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,石英晶体振荡器（晶振）,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,（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
9、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）。,极化处理过程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，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。如图6-4（a）所示。,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
10、整齐地与外电场方向一致时，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。,极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，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。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系：q= d33F (6- 3)式中：d33 压电陶瓷的压电系数；F作用力。,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
11、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。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍。但使用温度较低。最高只有70。温度稳定性和机械强度都不如石英。,目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）， 它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb(ZrTi)O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅(Pb（Mg Nb ）O3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的
12、压电陶瓷，具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。,压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,（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。,高分子压电薄膜及拉制,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警器,高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压
13、电效应）,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,一、 压电式传感器的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。,(6 - 4),第二节 压电传感器的测量转换电路,因此，压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电压源。如图6-5（a）所示，电容器上的电压Ua
14、、电荷量q和电容量Ca三者关系为：压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图6-5（b）所示。 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，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电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6-6所示。,(6 -5),二、压电式传感器的测量电路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的前置放大器，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：
15、电压放大器和电荷放大器。,1. 电压放大器（阻抗变换器）图6-7（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。,在图6-7（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Ca+Cc+Ci，而ua= q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用，则其电压为：,(6 -6),式中：Um压电元件输出电压幅值Um=dFm/Ca；d 压电系数。,由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为：,(6 -7),的幅值为,(6 -8),输入电压和作用力之间相位差为,(6 -9),在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca +Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知
16、，理想情况下输入电压幅值Uim为：,式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为/03时。就可以认为Uim与无关。0表示测量电路时间常数之倒数。即0=1/R（Ca + Cc + Ci）。,(6 -10),当R（Ca+ Cc+Ci）1 时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示。式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。,这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件力为静态力（=0）时，则前置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身
17、漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力测量。,2. 电荷放大器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成，当略去Ra和Ri并联电阻后，电荷放大器可用图6 - 8 所示等效电路：,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：,(6 -12),图中A为运算放大器增益。由于运算放大器输入阻抗极高, 放大器输入端几乎没有分流, 其输出电压Uo为：,式中：Uo放大器输出电压；UCf反馈电容两端电压。,(6 -11),通常A=104106，因此若满足（1+A）Cf Ca+c+Ci时，式（6 - 2）可表示为：,由式（6-13）可见，电荷放大器的输出电压Uo与电缆
18、电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。,(6 -13),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（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度：0.11000mV/pC 频率范围：0.3100KHz噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V 准 确 度：1% 最大输出：10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动,焊接式 电荷放大器,超小型电荷放大器模块,主要指标: 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：外接电阻调整 线性误差：1%
19、最大输出：5V或10V 电 源：6V15V特点：可组成经济的多点测试系统,其他电荷放大器外形,面板式电荷放大器,其他电荷放大器外形,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,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
20、面产生电荷Q ，在两个输出引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,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）。,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统分
21、辨出来。右图为测量系统的输出波形。,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。,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,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
22、两倍。,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,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,压电传感器测量双腿跳的动态力,第四节 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。,地震的巨大威力,地震波形,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
23、式、霍尔式、光电式等。下面介绍压电式测振传感器及其应用。,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,四、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%,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,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
24、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，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。,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。,爆震测量,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.,频谱仪
25、,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。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。,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）,频域图形,对应于时域波形（失真的正弦波）的谱线图,振动时域/频域图形（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,不同频率的正弦波频谱变化,振动时域/频域图形（续） （参考东方振动和噪声技术研究所资料）,包含高次谐波的频谱,基波与三次谐波的频谱,基波与3次谐波合成的波形,方波可分解成同频基波及 3、5、 7奇次 谐波,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,爆破振动记录仪,打印机,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,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,本章作业 2、3、5,休息一下,
