第五章压电式传感器

1、第五章第五章 压电式传感器压电式传感器5.1压电式传感器压电式传感器一、又称自发电式传感器及电势式传感器一、又称自发电式传感器及电势式传感器 是一种典型的有源传感器。是一种典型的有源传感器。 是一种能量转换型传感器。是一种能量转换型传感器。二、特点二、特点 体积小，重量轻，固有频率高，配上适当的电荷体积小，重量轻，固有频率高，配上适当的电荷放大器，能在放大器，能在0Hz10KHz的范围内工作；的范围内工作； 适合测量变化迅速的参数，适于动态测量；适合测量变化迅速的参数，适于动态测量； 测量的力值范围测量的力值范围:上百吨上百吨几克。几克。三、应用三、应用 目前多用于加速度和动态力或压力的测量。

2、目前多用于加速度和动态力或压力的测量。 在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、煤气点火等方面应用已很普遍。器、煤气点火等方面应用已很普遍。5.2压电式传感器的基本原理压电式传感器的基本原理一、基本原理一、基本原理 基于压电效应。基于压电效应。二、压电效应（二、压电效应（1） 某些晶体在一定方向的外力作用下，几何尺寸改某些晶体在一定方向的外力作用下，几何尺寸改变，晶体内部产生极化现象，表面形成电场。外力去变，晶体内部产生极化现象，表面形成电场。外力去除后，表面恢复到不带电的状态。除后，表面恢复到不带电的状态。机械能机械能电能电能：正压电效应：正压

3、电效应 力学压电传感器都是利用正压电效应工作的。力学压电传感器都是利用正压电效应工作的。二、压电效应（二、压电效应（2） 反之，若将该材料置于交变的电场中，在外电场反之，若将该材料置于交变的电场中，在外电场的作用下，该材料本身产生机械变形。的作用下，该材料本身产生机械变形。 注：并不是所有压电晶体都能在各种变形条件下注：并不是所有压电晶体都能在各种变形条件下产生压电效应。产生压电效应。电能电能机械能机械能：逆压电效应：逆压电效应/电致伸缩效应电致伸缩效应5.3压电材料压电材料一、选取的特性要求一、选取的特性要求 1）具有较大的压电常数；）具有较大的压电常数； 2）具有较高的固有振动频率；）具有

4、较高的固有振动频率； 3）有较高的电阻率；）有较高的电阻率； 4）压电特性有较好的时间稳定性；）压电特性有较好的时间稳定性； 5）有较高居里点。）有较高居里点。居里点：在压电性能破坏时的温度转折点。二、常见的压电材料（二、常见的压电材料（压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料） 1、石英晶体、石英晶体 有天然和人工制造两种。石英晶体是最早应用有天然和人工制造两种。石英晶体是最早应用的压电材料的压电材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。 特性：特性

5、：a、有理想的线性，转换效率高，一般无、有理想的线性，转换效率高，一般无滞后现象，固有频率高；滞后现象，固有频率高； b、稳定性好，时间老化率低，有较高的、稳定性好，时间老化率低，有较高的绝缘阻抗；绝缘阻抗； c、居里点高（、居里点高（573），灵敏度变化小，），灵敏度变化小，在几百摄氏度以内，压电系数不随温度变化；在几百摄氏度以内，压电系数不随温度变化； 但石英晶体的灵敏度低。但石英晶体的灵敏度低。 2、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体 这一类包括酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等。这一类包括酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等。 特性：有较高的压电系数和介电常数；特性：有较高的压电系数和介电常数；

6、 易于受潮，且机械强度较低。易于受潮，且机械强度较低。 适用于室温和湿度较低的环境下。适用于室温和湿度较低的环境下。 3、铌酸锂晶体、铌酸锂晶体 是一种透明单晶，熔点为是一种透明单晶，熔点为1250 ，居里点为，居里点为1210 。 特性：有良好的压电性能和时间稳定性。特性：有良好的压电性能和时间稳定性。 适用于耐高温的传感器。适用于耐高温的传感器。 4、压电陶瓷（、压电陶瓷（人工制作的多晶体，应用普遍。人工制作的多晶体，应用普遍。） 特点：烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等。特点：烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等。 按材料组成成分不同可分为以下几种：按材料组成成分不同可分为以下几种： a、

7、钛酸钡压电陶瓷：较高的压电系数和介电常、钛酸钡压电陶瓷：较高的压电系数和介电常数，数，居里点较低居里点较低（120 ），机械强度不如石英），机械强度不如石英。 b、锆钛酸铅系压电陶瓷：较高的压电系数和居锆钛酸铅系压电陶瓷：较高的压电系数和居里点（里点（300以上以上）。）。 c、铌酸盐系压电陶瓷：铌酸铅居里点高，介电、铌酸盐系压电陶瓷：铌酸铅居里点高，介电常数低；铌酸钾居里点常数低；铌酸钾居里点435 ，用于水声传感器。，用于水声传感器。 d、铌镁酸铅压电陶瓷：一种由三元素组成的新、铌镁酸铅压电陶瓷：一种由三元素组成的新型陶瓷。型陶瓷。 压电系数和居里点较高，可在较高压力下压电系数和居里点较高

8、，可在较高压力下工作，适合作为高温下的力传感器。工作，适合作为高温下的力传感器。 5、压电半导体、压电半导体 具有半导体特性和压电性能。具有半导体特性和压电性能。 可有集转换元件和电子线路为一体的新型传感器。可有集转换元件和电子线路为一体的新型传感器。 6、高分子压电材料、高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜延伸拉展和电极化后，某些合成高分子聚合物薄膜延伸拉展和电极化后，就有一定压电性能。就有一定压电性能。 特点：柔软，不易破碎，可大量生产，制成较大特点：柔软，不易破碎，可大量生产，制成较大面积。面积。 若压电陶瓷粉末加入高分子化合物，可制成高分若压电陶瓷粉末加入高分子化合物，可制成高分子

9、子-压电陶瓷薄膜，具有双重特性的新压电材料。压电陶瓷薄膜，具有双重特性的新压电材料。5.4压电材料的压电效应压电材料的压电效应一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应 1、结构、结构zxyo 石英晶体即石英晶体即SiO2无水化合物。无水化合物。通常以直角坐标来表征其方向性。通常以直角坐标来表征其方向性。其中：其中：x轴轴-电轴；电轴； y轴轴-机械轴机械轴/中性轴；中性轴； z轴轴-光轴，晶体的对称轴。光轴，晶体的对称轴。 2、石英晶体的三种压电效应、石英晶体的三种压电效应 1）纵向压电效应）纵向压电效应(x轴方向受力，垂直于轴方向受力，垂直于x轴的平面轴的平面上产生电荷，电荷与晶片尺寸无

10、关。上产生电荷，电荷与晶片尺寸无关。)twFxzyxl 关系式：关系式：xFdQ11= d11 为石英晶体纵向压电常数，为石英晶体纵向压电常数，C/N。QQxyzFx- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + +Fx 2）横向压电效应（）横向压电效应（沿沿y轴方向受力，垂直于轴方向受力，垂直于x轴的平轴的平面上产生电荷，电荷与晶片尺寸有关。面上产生电荷，电荷与晶片尺寸有关。 ） 关系式：关系式： l 为石英晶体片长度；为石英晶体片长度； t 为晶体片厚度。为晶体片厚度。twFyzyxlFyQQxyz- - - - - - - - - -+ + + + +

11、+ + + + + + +FyFyyFtl-dQ11= 3）剪切效应）剪切效应 关系式：关系式： d26 为石英晶体的横向压电常数，为石英晶体的横向压电常数，C/N。QQxyz- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + 垂直于垂直于y轴，轴，沿沿x轴方向受剪切力轴方向受剪切力T作用，作用，受力表面上电荷与受力表面上电荷与石英片几何尺寸无关，与剪切力成正比。石英片几何尺寸无关，与剪切力成正比。TdQ26=-2d11=T 压电式传感器可根据石英晶体的压电效应进行工压电式传感器可根据石英晶体的压电效应进行工作。作。 但石英晶体资源少、价格较贵，一般只是在校准

12、但石英晶体资源少、价格较贵，一般只是在校准用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才用。大用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才用。大多数压电传感器采用压电陶瓷作压电元件。多数压电传感器采用压电陶瓷作压电元件。二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应 原始的压电陶瓷不具有压电性。原始的压电陶瓷不具有压电性。 内部有许多电畴，极化前，电畴是无规则排列的；内部有许多电畴，极化前，电畴是无规则排列的；在一定温度下，以强电场作用后，内部电畴规则排列，在一定温度下，以强电场作用后，内部电畴规则排列，呈现压电特性。呈现压电特性。 极化后的压电陶瓷没有极化现象，是因为表面被极化后的压电陶瓷没有极化现象，

13、是因为表面被自由电子中和了。自由电子中和了。 施加沿极化方向的外力作用时，在垂直于极化方施加沿极化方向的外力作用时，在垂直于极化方向的平面上释放电荷。电荷正比于外力大小。向的平面上释放电荷。电荷正比于外力大小。 注：刚极化的压电陶瓷特性不稳定，须经注：刚极化的压电陶瓷特性不稳定，须经2、3个月。但如使用时间长，则需经常校准。个月。但如使用时间长，则需经常校准。一、压电元件的常用形式一、压电元件的常用形式 在压电式传感器中，为提高灵敏度，使用时，在压电式传感器中，为提高灵敏度，使用时，常将几片同型号的压电元件组合在一起。常将几片同型号的压电元件组合在一起。 常见的压电元件方式有常见的压电元件方式

14、有2种：种： 并连接法；并连接法； 串连接法。串连接法。5.5压电元件的应用特点压电元件的应用特点 1、并连接法、并连接法 将压电元件的负极相连。将压电元件的负极相连。 特点：输出电荷大、本身电容大、时间常数大。特点：输出电荷大、本身电容大、时间常数大。 适于测量缓变信号，以电荷量为输出的场合。适于测量缓变信号，以电荷量为输出的场合。 2、串连接法、串连接法特点：输出电压大、本身电容小。特点：输出电压大、本身电容小。 适于测量电路输入阻抗高及以电压为输出的适于测量电路输入阻抗高及以电压为输出的场合。场合。二、压电元件的等效电路二、压电元件的等效电路 如图如图:CaUoRaQ Q是压电元件受力后

15、产生的电荷，是压电元件受力后产生的电荷，Uo是电极板是电极板间电位差。间电位差。Ca是极板间电容，是极板间电容，Ra是极板间绝缘电阻。是极板间绝缘电阻。 压电传感器中的内阻都很高，输出功率很小，压电传感器中的内阻都很高，输出功率很小，需要经过阻抗变换和信号放大才能显示、记录和使需要经过阻抗变换和信号放大才能显示、记录和使用。在压电元件和测量电路中间配接放大器。用。在压电元件和测量电路中间配接放大器。三、放大器电路三、放大器电路 1、作用、作用 把压电元件微弱的信号放大；把压电元件微弱的信号放大； 把压电元件的高阻抗输入变为低阻抗输出。把压电元件的高阻抗输入变为低阻抗输出。 2、形式、形式 电荷

16、放大器电荷放大器； 电压放大器。电压放大器。 3、电荷放大器、电荷放大器 一种利用电容进行负反馈的高放大倍数运算放一种利用电容进行负反馈的高放大倍数运算放大器。大器。CaUoutQ-ACoCfCi 电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比。 电荷放大器的输出电压只与压电元件产生的电电荷放大器的输出电压只与压电元件产生的电荷和反馈电容有关，与连接电缆的分布电容无关。荷和反馈电容有关，与连接电缆的分布电容无关。 4、电压放大器、电压放大器 又称阻抗放大器。又称阻抗放大器。 要求放大器输入电阻尽量高，以避免引起较大要求放大器输入电阻尽量高，以避免引起较大误差。误差。

17、 电压放大器与压电传感器间的连接电缆不能随电压放大器与压电传感器间的连接电缆不能随意更改，否则会引入测量误差。意更改，否则会引入测量误差。5.6压电传感器的应用压电传感器的应用一、指套式电子血压计一、指套式电子血压计 利用放大指套上的压电传感器，把手指的血压利用放大指套上的压电传感器，把手指的血压变为电信号，由电子检测电路处理后直接显示出血变为电信号，由电子检测电路处理后直接显示出血压值。压值。120/70电子电路指套压力源电子血压计的电路框图：电子血压计的电路框图：时钟放大器译码驱动幅值比较器压电传感器移位寄存器+5V显示器门控触发A/D幅值比较器移位寄存器译码驱动显示器二、振动测量仪二、振

18、动测量仪 原理：在压电式传感器测试电路中，电荷是与原理：在压电式传感器测试电路中，电荷是与加速度成正比，如把测得的信号加以积分，就能获加速度成正比，如把测得的信号加以积分，就能获得振动速度和振幅参数。得振动速度和振幅参数。 该振动仪可测量该振动仪可测量0.480cm的振动速度，的振动速度，4m8cm的振幅，的振幅，160g10g的加速度。的加速度。振动测量仪电路图：振动测量仪电路图：压电元件 C39600p C2125p C62000p C59500p C40.0235 R3250k R42M R25M R1 10M C1 A VD S输出三、压电加速度传感器三、压电加速度传感器 下图为压电加

19、速度传感器的原理图。由质量块、下图为压电加速度传感器的原理图。由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。一起。质量块压电元件支座输出引线原理原理: 当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电电压压)。 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时，当振动频率远低于传感器的固有共振频率时，传感器的输出电荷传感器的输出电荷(电压电压

20、)与作用力成正比。电信号与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷荷(电压电压)大小，从而得知物体的加速度。大小，从而得知物体的加速度。几种常见压电加速度传感器的结构几种常见压电加速度传感器的结构: 1、图（、图（a）为常用的压缩式压电加速度传感器。）为常用的压缩式压电加速度传感器。这是目前最常见的一种。结构简单，装配较为方便。这是目前最常见的一种。结构简单，装配较为方便。为便于装配和增大电容量常用两片极化方向相反的晶为便于装配和增大电容量常用两片极化方向相反的晶片，电学上并联输出。采用石英晶片时也有采用四片片，电学上并联输

21、出。采用石英晶片时也有采用四片晶片并联的方式。晶片并联的方式。支 座质 量 块压 电 元 件输 出 引 线(c)压 电 元 件安 装 螺 钉固 紧 螺 母质 量 块输 出 引 线(a)压 电 元 件质 量 块安 装 螺 钉输 出 引 线(b)支 座质 量 块压 电 元 件输 出 引 线(c)压 电 元 件安 装 螺 钉固 紧 螺 母质 量 块输 出 引 线(a )压 电 元 件质 量 块安 装 螺 钉输 出 引 线(b ) 图图(b)是剪切式压电加速度传感器，采用剪切应力是剪切式压电加速度传感器，采用剪切应力实现压电转换。管式压电元件紧套在金属圆柱上，在实现压电转换。管式压电元件紧套在金属圆柱

22、上，在压电元件外径上再套上惯性质量块，相互之间用导电压电元件外径上再套上惯性质量块，相互之间用导电胶粘结。如传感器感受向上的运动胶粘结。如传感器感受向上的运动,金属圆柱向上运动，金属圆柱向上运动，由于惯性质量环保持滞后，这样压电元件就受剪切应由于惯性质量环保持滞后，这样压电元件就受剪切应力作用，从而在压电元件的内外表面上产生电荷；如力作用，从而在压电元件的内外表面上产生电荷；如果传感器感受向下的运动，则压电元件内外表面上的果传感器感受向下的运动，则压电元件内外表面上的电荷极性相反。电荷极性相反。 这种结构形式的传感器灵敏度高，横向灵敏度小，这种结构形式的传感器灵敏度高，横向灵敏度小，而且能减小

23、基座应变的影响。剪切式压电传感器容易而且能减小基座应变的影响。剪切式压电传感器容易小型化，有很高的固有频率，所以频响范围宽，适于小型化，有很高的固有频率，所以频响范围宽，适于测量高频振动。但是，由于压电元件、金属圆柱以及测量高频振动。但是，由于压电元件、金属圆柱以及惯性质量环之间粘结较难，装配成功率较低。惯性质量环之间粘结较难，装配成功率较低。支 座质 量 块压 电 元 件输 出 引 线(c )压 电 元 件安 装 螺 钉固 紧 螺 母质 量 块输 出 引 线(a )压 电 元 件质 量 块安 装 螺 钉输 出 引 线(b ) 支 座质 量 块压 电 元 件输 出 引 线(c )压 电 元 件

24、安 装 螺 钉固 紧 螺 母质 量 块输 出 引 线(a )压 电 元 件质 量 块安 装 螺 钉输 出 引 线(b ) 图图(c)为弯曲式压电加速度传感器。压电晶片粘贴为弯曲式压电加速度传感器。压电晶片粘贴在悬臂梁的侧面，悬臂梁的自由端装配质量块，固定在悬臂梁的侧面，悬臂梁的自由端装配质量块，固定端与基座连接。振动时，悬臂梁弯曲，侧面受到拉伸端与基座连接。振动时，悬臂梁弯曲，侧面受到拉伸压缩，使压电元件发生形变，从而输出电信号。也可压缩，使压电元件发生形变，从而输出电信号。也可用圆板代替悬臂梁，在圆周装配质量块，在圆板表面用圆板代替悬臂梁，在圆周装配质量块，在圆板表面上安装压电元件。上安装压

25、电元件。 弯曲式压电加速度传感器固有共振频率低，灵敏弯曲式压电加速度传感器固有共振频率低，灵敏度高，适用于低频测量。缺点是体积大，机械强度较度高，适用于低频测量。缺点是体积大，机械强度较前两种差。前两种差。 采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料，采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料，可以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。可以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。 当压电式传感器与测量电路配合使用时，方块图当压电式传感器与测量电路配合使用时，方块图如下图所示。在等效电路中就必须将前置放大器的输如下图所示。在等效电路中就必须将前置放大器的输入电阻入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci、以及低噪声电缆的电容、以及低噪声电缆的电容Cc包包括进去。括进去。前置放大器测量仪表压电式传感器CdRdCcRiCiCdRdCcRiCiUq(a)(b) 因此，当考虑了压电元件的绝缘电阻因此，当考虑了压电元件的绝缘电阻Rd以后，完以后，完整的等效电路可表示成如下图所示的电荷等效