第6章压电传感器

第6章压电传感器

2023/2/62一、教学目标1、知识目标（1）了解不同压电材料的结构和特点。

（2）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。（3）熟悉压电式传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点1、重点：压电式传感器的工作原理和应用。2、难点：压电式传感器的测量电路。三、教学学时4学时车辆闯红灯时自动拍照6.1压电式传感器的工作原理

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。2023/2/64

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。想一想

压电传感器为什么不能用于静态参数的测量？6.1.1压电效应正压电效应

是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改变。（顺压电效应）打火机2023/2/67压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和逆压电效应。逆压电效应

是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。（电致伸缩效应）。音乐贺卡

由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，压电式传感器只适用于动态测量。在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为

Q=d11Fx

（5-1）

式中，d11为x轴方向受力的压电系数（C/N）；Fx为x轴方向的作用力（N）。6.1.2压电材料

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。2023/2/611压电材料压电晶体压电陶瓷高分子压电材料1.石英晶体2023/2/612天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）

2023/2/613石英晶体的压电机理分析石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。

（a）晶体外形（b）晶块图6-2石英晶体定义：x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强(正压电效应最强）。称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大（逆压电效应最强），称为机械轴。z：无压电效应，中心轴，也称光轴。（a）不受外力

(b)x轴方向受力

（c）y轴方向受力

图6-3石英晶体的压电效应示意图当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图6-3（a）；当石英晶体在x轴方向受力时，晶体的极面A上呈现负电荷，晶体的极面B上呈现正电荷，见图6-3(b)；当石英晶体在y轴方向受力时，晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面B上呈现负电荷，见图6-3（c）。石英晶体在20～200℃内压电系数的变化率小，因而其性能非常稳定，不足之处在于压电系数较小（d=2.31×10－12C/N）。因此，石英晶体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用。石英晶体切片及封装石英晶体薄片2023/2/619双面镀银并封装石英晶体振荡器（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。2023/2/620晶振2.压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。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）。

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压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列，极化方向杂乱无章，其总极化强度为0，此时受力则无压电效应。若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。（a）未极化的陶瓷(b)正在极化的陶瓷（c）极化后的陶瓷图6-4压电陶瓷的极化过程1）锆钛酸铅系列压电陶瓷

锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT有较高的压电系数（d＝（200～500）10－12C/N）和居里点（500℃左右），是目前常采用的一种压电材料。2）非铅系列压电陶瓷

非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。居里点19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫居里点压电陶瓷外形2023/2/626压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：

石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。

3.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。其中以PVF2的压电系数最高。2023/2/628高分子压电材料具有以下特点：（1）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现压电效应。（2）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以大量连续的拉升，制成较大面积或较长尺度的形状，因此，价格便宜。（3）高分子压电材料的声阻抗约为0.02Pa·s/m3，与空气的声阻抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。（4）高分子压电材料的工作温度一般低于100℃，当温度升高时，其灵敏度降低。（5）高分子压电材料的机械强度不高，抗紫外线能力较差，不适合暴晒，容易老化。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆2023/2/630可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板2023/2/631压电式脚踏报警器2023/2/632高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）2023/2/6336.2压电式传感器的测量转换电路

想一想：压电材料将被测量转化成什么量？

由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器。6.2压电式传感器的测量转换电路

6.2.1压电元件的等效电路则其电容量为

(7-2)式中:A——压电片的面积;d——压电片的厚度;εr——压电材料的相对介电常数压电元件的开路电压Ｕ的表达式为（a）电荷源

(b)电压源

图6-6压电式传感器的等效电路压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图7-6(a)所示。它也可等效为一个电压源，如图7-6(b)所示。（a）“串联”

Q′=Q，U′=2U，C′=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方

（a）串联图6-7压电元件的连接方式压电元件的连接方式：(b)并联图6-7压电元件的连接方式（b）“并联”，Q′=2Q，U′=U，C′=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,因此前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器。6.2.3电荷放大器图6-8电荷放大器的等效电路由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足Cf（A+1）>>（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci的影响。因此，电荷放大器输出电压的表达式为

（6-6）由式（6-6）可以得出以下几点结论：（1）电荷放大器的输出电压

只与输入电荷量Q和反馈电容Cf有关，而与放大器的放大系数A、电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci等的变化均无关。（2）只要保持反馈电容Cf的数值不变，就可得到与输入电荷量Q变化成线性关系的输出电压

。（3）压电式传感器产生的电荷量Q一定时，反馈电容Cf越小，输出电压

就越大。（4）要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容Cf。（5）输出电压与电缆电容Cc无关条件是

Cf（A+1）>>（Ca+Cc+Ci）。6.2.4电压放大器

——有足够的放大倍数，较高的输入阻抗（a）

（b）图6-9电压放大器的等效电路及其简化电路电荷放大器外形2023/2/6466.3.1压电式加速度传感器

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。2023/2/6476.3压电传感器的应用压电式振动加速度传感器的结构及外形

2023/2/648横向振动测振器纵向振动测振器1.压缩式压电加速度传感器图6-11压缩式压电加速度传感器的结构2.纵向效应式压电加速度传感器图6-12纵向效应式压电加速度传感器的结构1—电极；

2—质量块；

3—螺母；

4—压电陶瓷；

5—基座3.剪切式压电加速度传感器图6-13剪切式压电加速度传感器的结构4.弯曲式压电加速度传感器图6-14弯曲式压电加速度传感器的结构6.3.2压电式测力传感器图6-15压电式三向动态测力仪的结构6.3.3压电式血压传感器图6-16压电式血压传感器的结构6.3.4压电式流量计图6-17压电式流量计的结构6.3.5高分子压电材料的应用

2023/2/656粘贴位置1.压电式玻璃破碎报警器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