传感器与检测技术胡向东第二版

第6章压电式传感器主要内容6.1

工作原理6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用知识单元与知识点压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念；压电材料的分类及其特性；压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路；压电元件的连接特性；压电式传感器的应用。能力点深入理解压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念；理解压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路；了解压电材料的分类及其特性；会分析压电元件的连接特性；了解压电式传感器的应用。重难点重点：压电式传感器的工作原理、测量电路。难点：压电式传感器的测量电路。学习要求掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义；掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理；了解压电材料的主要特性参数及其含义、压电材料的选取；掌握压电式传感器的等效电路与测量电路；掌握压电元件并联或串联特性；了解压电式传感器的典型应用。6.1工作原理顺压电效应

某些电介质物质，沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，在其内部产生极化现象，同时在这种材料的两个表面会产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为“压电效应”。当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象也称为“正压电效应”或“顺压电效应”。

(加力—变形—产生电荷)6.1.1压电效应6.1.1压电效应

逆压电效应

当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上就会产生机械变形或机械应力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。逆压电效应电能机械能正压电效应压电效应的可逆性6.1.1压电效应特点：结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。用途：主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。压电传感器6.1.2压电材料石英晶体天然形成的石英晶体外形由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电效应。石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装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）。压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。10

陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图极化方向-----＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极-----＋＋＋＋＋11

如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。

——正压电效应－F＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋极化方向

正压电效应示意图126.2

测量电路

当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。6.2.1等效电路压电式传感器本身的内阻抗很高（1010欧以上），输出能量小，常在测量电路中加一个高输入阻抗的前置放大器，作用：（1）把高输入阻抗转换为低输出阻抗（小于100欧）；（2）对传感器输出的微弱信号进行放大。6.2.1测量电路15电荷放大器等效电路电荷放大器K是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。q：传感器的电荷Ce：连接电缆的等效电容RF：反馈电阻CF：反馈电容16

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。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，故可略去Ra和Ri并联电阻。式中：Uo——放大器输出电压；

Ud——反馈电容两端电压。四通道电荷放大器外形.18

压电传感器接放大器的等效电路（a）放大器电路（b）等效电路电压放大器（阻抗变换器）Ua：传感器的电压Re：传感器的漏电阻Ce：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容19电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。上一页下一页返回20解决电缆问题的办法将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。上一页下一页返回压电式加速度传感器

压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。

6.2.3压电元件的连接与变形压电元件的连接图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。

图a）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。6.3压电式传感器的应用6.3.1压电式力传感器

压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。变形方式：利用纵向压电效应的方式最简便。材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍。6.3.2压电式加速度传感器

实际应用举例—压电(陶瓷)式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量25实际应用举例—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。26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。

27压电式玻璃破碎报警器将高分子压电测振