压电传感器发展与应用

1、陈纪卢超张旭压电传感器发展及应用目录01020304原理发展分类应用01压电传感器原理压电传感器原理压电传感器原理压电传感器原理l 正压电效应：某些物质在沿一定方向受到力的作用发生改变时，其表面会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电状态，这种效应叫正压电效应。l 逆压电效应:在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩现象，压电材料的这种现象叫“电致伸缩效应”，也叫“逆压电效应”。02压电传感器的分类压电传感器的分类压电传感器的分类压电传感器的分类石英晶体石英晶体( (天然，单晶休天然，单晶休) )压电陶瓷压电陶瓷( (人工制造，多

2、晶体人工制造，多晶体) )高分子压电材料高分子压电材料2.1石英晶体石英晶体是一种天然形成的性能极为优异的单晶体压电材料。它具有稳定性好、可靠性高、响应速度快、压电常数自然变化率低(在20-200时，仅为-0.0001/摄氏度 )等特点，广泛用于制作标准传感器以及高精度传感器。2.2压电陶瓷压电陶瓷不同于自然界其他电介质，在外电场失去时，其内部极化区仍存有很强剩余极化强度，如沿极化方向施加外力，其表面也能产生电荷。换句话说，压电陶瓷也具有压电效应。常用的压电陶瓷有钻钦酸铅系列压电陶瓷(PZT)、非铅系压电陶瓷等2.3高分子压电材料高分子压电材料是近年来发展较快的一种新型压电材料。它的特点是压电

3、常数较高，如聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)的压电常数比压电陶瓷高十几倍，其输出脉冲电压可直接驱动 CMOS集成门电路。这种材料质地柔软，可以拉伸成薄膜或套管状。另外，价格便宜，不易破碎，具有防水性。其测量范围可达80dB,频响范围从0.1Hz直至10九次方Hz。可见它是一种较为理想的电声材料。高分子压电材料的工作溢度适用范围为100以下，机械强度较低，不耐紫外线照射。03压电传感器技术的发展压电传感器技术的发展3.1第一阶段：60-70年代，传感器以电荷输出为主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主的信号适调装置。3.2第二阶段：80-90年代中期，出现了IEPE传感器，也叫低阻抗电压

4、输出传感器，它主要解决了压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题。3.3第三阶段：90年代中期至今，即插即用智能TEDS混合模式接口传感器。04压电传感器的应用压电传感器的应用压电传感器的应用压电传感器的应用工业、医疗卫生压电触摸屏压力传感器声波传感器超声波传感器动态测量生物压电传感器交通检测周界报警系统穿戴设备加速度传感器薄膜压电传感器4.1压力传感器压电式压力传感器大多是利用正压电效应制成的，基于正压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。 4.2它属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效

5、应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 加速度传感器4.3交通检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。通过将隔膜连接到压电材料，当声波击打隔膜时，压电材料将产生信号。现阶段应用并不广泛。4.4声波传感器水听器水听器水听器又称水下传声器，是把水下声信号转换为电信号的换能器,是声呐的重要组成元件。根据作用原理、换能原理、特性及构造等的不同，有声压、振速、无向、指向、压电

6、、磁致伸缩、电动（动圈）等水听器之分。超声波传感器超声波传感器1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声波换能器，并用来探查海底的潜艇。应用原理为压电材料的正、逆压电效应。4.5生物传感器，简单定义就是将生物敏感物质的浓度转换为电信号的一种检测仪器。这些生物敏感物质包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质。生物压电传感器生物压电传感器是将生物敏元件固定在石英晶体表面，组成新型生物传感器，兼具生物材料的高选择性和压电传感器高灵敏度的特点。当生物敏感元件如抗体，与对应被测物质相结合是会增加压电传感器的厚度，影响其谐振频率，通过对谐振频率的测量可得出被测物质种类和

7、浓度。广泛应用于气态物质分析、微生物分析、细胞分析、生物过程监测、反应动力学分析、蛋白质分析、核酸分析、酶分析以及小分子生物物质分析等领域.4.6周界报警系统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。图为测量系统的输出波形。玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 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。 4.7工业方面的应用车床中切削力的动态测量。工业、医疗卫生方面应用医疗卫生方面4.8智能穿戴设备 在鞋子下方放置压电等多种传感器，对信息进行初步处理和储存，通过信号传递模块，将运动状态传输到手机、电脑等电子设备上，记录和知道运动，实现穿戴设备智能化。4.9压电触摸屏