第六章压电传感器

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1、了解压电传感器的工作原理；2、了解振动的参数；3、掌握压电测振的原理。

第六章压电传感器

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退出第一节压电传感器的工作原理

压电效应——某些电介质在沿一定方向受到外力的作用变形时，由于内部电荷的极化现象，相应地在其表面产生极性相反的电荷；当外力作用消失时，又恢复到不带电状态。当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象就称为压电效应。

逆压电效应——在电介质德极化方向上施加交变电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场,电介质变形随之消失,这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。

实验表明，压电材料的线应变、剪应变、体积应变都可以引起压电效应，利用这些效应可以制造出感受各种外力的传感元件。

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具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。

石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。

石英晶体有三个晶轴：

Z轴-光轴，它与晶体的纵轴线方向一致

x轴-电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴

y轴-机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。

石英晶体的压电效应2008-10-3

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从晶体上沿xyz轴线切下的一片平行六面体的薄片称为晶体切片。它的六个面分别垂直于光轴、电轴和机械轴。通常把垂直于x轴的上下两个面称为x面，把垂直于y轴的面称为y面。如图所示。当沿着x轴对晶片施加力时，将在x面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在x面上，这称之为横向压电效应。当沿着z轴方向受力时不产生压电效应。

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退出石英的压电效应解释

石英SiO2，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子。当没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如图a示。这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。

若沿Y方向压缩，如图c所示，硅离子3和氧离子2，以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，这时称为横向压电效应。在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。如果沿X方向压缩，如图b所示，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。2008-10-3

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退出石英晶体的压电效应演示

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

式中

d11——压电常数。

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。2008-10-3

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退出二、压电材料的分类及特性

选用压电材料应考虑以下几方面的问题：

1．转换特性：较大的压电系数，以使压电传感器具有较高的灵敏度；

2．机械特性：较高的强度与刚度，以期获得较宽的线性范围和较高的固有频率；

3．电气特性：较高的电阻率和较大的介电常数，以期削弱外部引线分布电容的影响；

4．温度特性：较高的居里点（压电材料是否具有压电效应的相应温度点），以期获得较宽的温度范围。

应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。

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石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定，介电常数于压电系数的温度稳定性特别好。

具有很大的机械强度和稳定的机械性能，绝缘性能好、动态响应快、线性范围宽、迟滞小等优点。

但石英晶体的压电常数小（d//=2.31×10-12C/N）,灵敏度低，且价格较贵，所以只在标准传感器、高精度传感器或高温环境下工作的传感器中作为压电元件使用。

石英晶体分为天然

与人造晶体两种。天然石英晶体性能优于人造石英晶体，但天然石英晶体价格较贵。

（一）石英晶体2008-10-3

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退出石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2008-10-3

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退出石英晶体振荡器（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2008-10-3

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退出（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）。

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退出（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。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。2008-10-3

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将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为Ca

Ca=εrε0A/δ

式中

A——压电元件电极面面积；

Δ——压电元件厚度；

εr——压电材料的相对介电常数；

ε0——真空的介电常数。

第二节压电传感器的测量转换电路

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因此，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的等效电路，如图所示，也可以等效为一个电荷源与一个电容相串联的等效电路

。

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，即需要转换电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。

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压电式传感器工作时，需与二次仪表配套使用，还应考虑传感器电缆电容Cc

，放大器输入电阻Ri，输入电容Ci，此时的等效电路如图所示。

二、电荷放大器

当被测振动较小时，压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。

常使用电荷放大器来测量压电式传感器的输出信号

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退出电荷放大器的输出电压可由下式得到式中

Q——压电传感器产生的电荷；

Cf

——并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容。2008-10-3

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退出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

粘贴位置

将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它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。2008-10-3

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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。2008-10-3

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退出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。

3.交通监测2008-10-3

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退出二、压电陶瓷传感器的应用

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，两片压电晶体构成的传感器有两种接法：串联和并联。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。

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退出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）。

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退出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

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退出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2008-10-3

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退出第四节振动测量及频谱分析

一、振动的基本概念

从振动对象来分，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。

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。2008-10-3

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退出三、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2008-10-3

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退出四、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%

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退出五、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

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退出六、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。

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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。

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退出七、振动的频谱分析及仪器

时域图形