第6章压电传感器

机械工业出版社

中等职业教育电气类规划教材

《自动检测与转换技术》

第六章

压电传感器

2014－10－17

2/3/20231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。压电式传感器主要用途：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（例如重量）的测量。

2/3/20232我们先来看一个实验。在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应小实验2/3/20233一、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”Q=dF2/3/20234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，电荷的极性也随之改变这种现象称压电效应2/3/20235自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振动压力下，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。在电子打火机中，多片串联的压电材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃。与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振动而发声的。小知识2/3/20236清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”。——鸣沙山上的逆压电效应2/3/20237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”。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2/3/20238压电材料的主要特性参数有

压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定压电器件的固有频率和动态特性介电常数：压电元件的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机械耦合系数：转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，从而改善压电传感器的低频特性居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度2/3/20239二、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：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。2/3/202310（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形2/3/202311天然形成的石英晶体外形（续）

2/3/202312石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2/3/202313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2/3/202314石英晶体大多只在标准传感器，高准确度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。2/3/202315（二）压电陶瓷压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力2/3/202316压电陶瓷的压电机理与压电晶体不同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2/3/202317压电陶瓷的压电效应施加外电场时，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2/3/2023182/3/202319压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性2/3/202320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，压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高2/3/202321压电陶瓷外形

2/3/202322无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

2/3/202323高分子压电薄膜及拉制

2/3/202324（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。2/3/202325高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

2/3/202326可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

2/3/202327压电式脚踏报警器

2/3/202328高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）2/3/202329第二节压电传感器的测量转换电路

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。2/3/202330便携式测振仪外形1－量程选择开关SC2－压电传感器输入信号插座

3－多路选择开关

4－带宽选择开关SR5－带背光点阵液晶显示器6－电池盒7－可变角度支架2/3/202331显示波形的演示（振动的时域/频域图形）

（东方研究所资料）不同频率的正弦波频谱变化2/3/202332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：0.1～1000mV/pC

频率范围：0.3～100KHz

噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV

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2/3/202333超小型电荷放大器模块

灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)

频率范围：0.3～100KHz(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%

最大输出：±5V或±10V

电

源：±6V～±15V

特点：可组成经济的多点测试系统主要指标:2/3/202334其他电荷放大器外形面板式电荷放大器2/3/202335多通道电荷放大器外形2/3/202336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2/3/202337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，表面产生电荷Q

，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。2/3/202338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，因此压电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，所以压电传感器只适用于动态测量。动态频率必须高于100Hz，但在30kHz以上时，灵敏度急剧下降。小贴士2/3/202339

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辨出来。右图为测量系统的输出波形。2/3/2023403.交通监测

（包括轴数、轴距、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。将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息：2/3/202341高分子压电电缆的应用演示2/3/202342二、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。

2/3/202343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

一体化车刀动态力测量2/3/202344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2/3/202345第四节振动的测量

物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。从振动对象来分，有机械振动（例如机床、电机、泵、风机等运行时的振动）；土木结构振动（房屋、桥梁等的振动）；运输工具振动（汽车、飞机等的振动）以及武器、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。频率是分析振动的最重要内容之一。振动物体偏离平衡位置的最大距离称为振幅，用x表示，单位为mm；振动的速度用v表示，单位为m/s；加速度用a表示，单位为m/s2或g。知识沙龙2/3/202346地震的巨大威力2/3/202347地震波形2/3/202348二、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。下面介绍压电式测振传感器及其应用。2/3/202349三、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2/3/202350四、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：M5mm

线性：≤1%2/3/202351如何选择压电传感器灵敏度低的传感器可用于动态范围很宽的振动测量，例如打桩机的冲击振动、汽车的撞击试验、炸弹的贯穿延时引爆等。而高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。例如用于寻找地下管道的泄漏点（水管漏水处可发出几千赫的特殊振动），或测量