传感器与检测技术第二版陈洁黄鸿第八章压电传感器

1、第六章 压电式传感器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 概述 压电式传感器是一种典型的发电型传感器，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。第6章 压电式传感器概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重压电加速度计压电警号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

2、的极性也随之改变； 这种现象称压电效应。压电材料天然晶体压电陶瓷-多晶铁电体高分子材料压电效应-比较复杂（自学不做要求）聚偏氟乙烯（压电系数高）压电材料压电效应与晶体压电效应不同同学们经过以上学习我们已经对压电效应有了一定了解，压电材料有很多种，压电效应也不同，同学们可以在课下多进行了解，现在我们来看一个关于生物压电效应的小短片，了解一下层出不穷的新材料给我们生活带来的便利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。外形结构图6-2 石英晶体(a) 晶体外形； (

3、b) 切割方向； (c) 晶片 压 电 晶 片按特定方向切片人工合成水晶6.2 压电材料6.2.1 石英晶体 石英晶体压电模型6.2 压电材料6.2.1 石英晶体 6.2 压电材料6.2.1 石英晶体 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，P1= P2= P3 ,晶体呈中性；图(a) 第7章 压电式传感器6.2 压电材料6.2.1 石英晶体当晶体受沿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；图(b) 6.2 压电材料6.2.1 石英晶体当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 , 在X轴的正方向出现负电荷；图(c) 6.2 压电材料

4、6.2.2 压电陶瓷（多晶体） 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，他有一定的极化方向。 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。 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。6.2 压电材料6.2.2 压电陶瓷（多晶体） 6.2 压电材料6.2.2 压电陶瓷（多晶体） 6.2 压电材料-石英晶体受力产生电荷大小分析压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d

5、为压电系数 在X轴方向施力时,产生电荷大小为: 1为X方向应力 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: 2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) 6.2 压电材料-压电陶瓷（多晶体）受力产生电荷分析 压电效应： 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 6.1 逆压电效应 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

6、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。压电元件机械能电能同学们经过以上学习我们已经对逆压电效应有了一定了解，逆压电效应和压电效应同样在日常生活中有很多应用，他可以将一定的电信号转换成形变或机械震动而发声-超声波。而压电效应又可以感受超声波这种“振动”，再将这种外力振动转换成与之对应的电信号他们组合在一起就是“蝙蝠检测装置”接下来我们看一些小视频来更多的了解一下他们的应用吧超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、

7、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹-30兆赫兹。压电传感器的应用压电式玻璃破碎报警器压电传感器的应用 玻璃打碎报警装置。玻璃破碎时会发出几千赫兹的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动， 图为高分子压电薄膜振动感应片示意图。高分子薄膜厚约0.2mm，用聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜制成10mm20mm大小。在它的正、反两面各喷涂透明的二氧化

8、锡导电电极，也可以用热印制工艺制作铝薄膜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，用胶将其粘贴在玻璃上，当玻璃遭到暴力打碎时，压电薄膜感受到剧烈振动。在两个输出引脚之间产生窄脉冲信号，该信号经放大后，用电缆输送到集中报警装置，产生报警信号。由于感应片很小且透明，不易察觉，所以可安装于贵重物品柜台、展览橱窗等。 压电传感器的应用压电式压力传感器压电传感器的应用压电式加速度传感器压电传感器的应用超声波传感器振动式液位开关压电加速度计压电元件产品压电传感器的应用点火器晶体四 等效电路 压电元件是在压电晶片产生电荷的两个工作面上进行金属蒸镀，形成两个金属膜电极，当压电晶片受力时，

9、在晶片的两个表面上聚积等量的正、负电荷，晶片两表面相当于电容器的两个极板，两极板之间的压电材料等效于一种介质，因此压电晶片相当于一只平行极板介质电容器。电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为：Ua = 因此, 压电传感器受力时，两端积累等量异种电荷q，同时建立起电场，两端形成电压，我们可以把它看成电压源，而另一方面积累和释放电荷（压电陶瓷受力时释放和吸收电荷）就会形成电流，因此压电传感器也可以等效为一个电荷源（或电流源）。等效电压源 等效电流源6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器等效电路 6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器测量电路 前置电路有两个作用：

10、 一是放大微弱的信号，二是阻抗变换：高阻抗输出低阻抗输出； 根据等效电路， 压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式： 电压放大器 ，电荷放大器。6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路 （1）电压放大器电压放大器等效电路示意图6.4 等效电路与测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器） 如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，产生的电荷与电压也按正弦变化: 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，那么可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（1）电压放大器（阻

11、抗变换器） 传感器电压灵敏度Ku是？电压灵敏度1、表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，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漏电阻漏掉, 所以压电传感器不能用于静态力测量。 电压放大器结论：电压放大器结论： 从传感器电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（2）电荷放大器 为解决电缆分布电容对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺

12、点可采用电荷放大，而且集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。其输出电压为：电荷放大器等效电路6.4 等效电路与测量电路6.4.2 测量电路 （2）电荷放大器工作频率足够高时，电荷放大器输出电压可认为当K1满足压电传感器与电荷放大器连接的等效电路6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（2）电荷放大器可见： 电荷放大器中，当输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点 缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。6.4 等效电路