专题4压电效应与压电传感器典型应用

2023/2/61专题4压电效应与压电传感器典型应用2023/2/62

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的测量。

压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。

2023/2/631.压电效应（80页）外力沿压电材料特定晶向作用使晶体变形，使得相对的晶面上产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象称为正压电效应。压电效应可逆，在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还产生机械形变；去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称为逆压电效应。当外力F沿特定方向作用压电晶体时，在相对晶面上产生电荷Q，两者的关系可表示为Q=dF式中，d为压电常数，反映外力与其产生电荷的比例关系，表征压电效应的强弱程度。2023/2/64石英晶体的压电效应演示

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。2023/2/652.压电材料的分类及特性（81页）

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。2023/2/66（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形2023/2/67天然形成的石英晶体外形（续）

2023/2/68石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2023/2/69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2023/2/610（二）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）。2023/2/611压电陶瓷外形

2023/2/612无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

2023/2/613高分子压电薄膜及拉制2023/2/614（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。2023/2/615高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

2023/2/616可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

2023/2/617压电式脚踏报警器

2023/2/618高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）2023/2/6191)压电元件在压电材料垂直于极化方向的表面（其上呈现电荷）镀上金属电极、接上引线即可构成压电元件。2)等效电路压电元件可视为电荷发生器。压电元件受外力作用时在垂直于电轴或垂直于极化方向的两个相对表面产生电荷，一个面上聚集正电荷，另一个面上为等量负电荷。当压电元件两表面聚集电荷时它是电容器，其电容量为

Ca=s/t=r0s/t

式中，s为电容器极板面积(m2)；t为压电元件厚度(m)；为压电材料的介电常数（F/m）；r为压电材料的相对介电常数；0为真空中的介电常数，0=8.85×10－12F/m；Ca为压电传感器的内部电容（F）。3.压电元件的等效电路和测量转换电路

（81到83页）2023/2/6202)等效电路压电元件可等效为一个电荷源与一个电容并联电路。电容器上的电压ua（开路电压）、电荷q与电容Ca三者存在关系：ua=q/Ca，因此，压电元件也可等效为一个电压源与一个电容串联的等效电路，考虑压电传感器的泄漏电阻时，电路如图所示。2023/2/6213）测量电路压电元件输出信号非常微弱，需放大才能实现测量。但压电元件内阻抗相当高，难以直接使用一般放大器放大。除阻抗匹配问题外，连接电缆长度、噪声都是突出问题。一般都需前置放大，这种电压前置放大器也称为阻抗变换器。压电元件前置放大器的两种形式：电压放大器，输出正比于输入（即压电元件输出的电压）；电荷放大器，输出电压正比于输入电荷。2023/2/622

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。2023/2/6233）测量电路两种前置放大器的主要区别：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容变化非常敏感，尤其是对连接电缆长度的变化，适用于快变信号；使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略，适用于慢变信号。电压和电荷放大器连接的等效电路如下。2023/2/6242023/2/625四通道电荷放大器外形.2023/2/626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2023/2/627超小型电荷放大器模块

主要指标:

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2023/2/628其他电荷放大器外形面板式电荷放大器2023/2/629其他电荷放大器外形（续）2023/2/6304.压电式传感器的结构1）压电式压力传感器使用目的不同，压电式传感器形式不同，但基本原理相同。图示压电式压力传感器的基本结构组成：引线+壳体+基座+压电晶片+受压膜片+导电片等膜片受力F作用时，压电晶片上产生电荷。每一个压电片上产生的电荷为：q=d11F=d11SP式中，d11为压电系数；F为作用在压电晶片上的力；S为有效膜片面积；P为压强，P=F/S。如果传感器只由一个压电晶片构成，则电荷灵敏度kq=q/P，电压灵敏度ku=U0/P，式中U0为压电晶片的输出电压。2023/2/6312）压电式加速度传感器又称压电加速度计，用于飞机、车辆等的冲击和振动检测。压电加速度传感器组成：质量块+压电元件+基座等如图所示，基座用来将传感器与待测物体刚性固定，使基座与待测物以同一加速度运动；压电元件受质量块与加速度方向相反的惯性力作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（或电压）。信号经前置放大器放大后用测量仪器测量幅值，得到物体的加速度。2023/2/6325.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2023/2/633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。2023/2/634压电传感器只能应用于动态测量

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，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式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，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。

2023/2/635

（

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。2023/2/636（3）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。2023/2/637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。

2023/2/638二、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。

2023/2/639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

2023/2/640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2023/2/641三、振动测量及频谱分析

（1）振动的基本概念

振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、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。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。

2023/2/642地震的巨大威力

2023/2/643地震波形2023/2/644（2）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。2023/2/645（3）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2023/2/646（4）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%2023/2/647（5）压电加速度传感器的安装及使用a)双头螺丝固定b)磁铁吸附c)胶水粘结d)手持探针式

1—压电式加速度传感器2—双头螺栓3—磁钢

4—粘接剂5—顶针

2023/2/648（6）压电振动加速度传感器在汽车中的应用

加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。2023/2/649爆震波形

汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。2023/2/650爆震测量2023/2/651（7）振动的频谱分析及仪器时域图形

测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪.2023/2/652频谱仪

频域图形（频谱图）

频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了