车辆传感器基础-压电式传感器

目录CATALOGPART

01压电效应PART

02压电材料PART

03压电元件结构PART

04等效电路与测量电路PART

05压电传感器的应用压电效应概述压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。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。概述概述电压加速度计压电陶瓷超声换能器压电警号压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电效应Part

01车辆检测技术某些电介质（晶体）这种现象称压电效应。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；压电效应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”。所以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。压电效应压电元件机械能电能压电效应是可逆的压电材料Part

02车辆检测技术自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为三大类：压电晶体（石英晶体）、压电陶瓷和高分子压电材料。

天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，使用时用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形石英晶体天然形成的石英晶体外形续石英晶体石英晶体切片及封装按特定方向切片石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体薄片石英晶体石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片

通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。石英晶体1压电元件受力后，表面电荷与外力成正比关系：Q=dFd为压电系数2在X轴方向施力时,产生电荷大小为:

σ1为X方向应力3在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:σ2为Y方向应力

压电系数-d11=d12为常数a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)石英晶体石英晶体压电模型石英晶体石英晶体的上述特征与内部分子结构有关当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；石英晶体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。压电传感器的特点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。压电传感器只能应用于动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）。石英晶体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。

石英晶体振荡器（晶振）压电陶瓷（多晶体）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）。压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是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，它有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱，极化相互抵消，呈中性。压电陶瓷（多晶体）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。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。压电陶瓷（多晶体）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，所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷外形压电陶瓷（多晶体）无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）高分子压电材料如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子—压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。高分子压电材料聚偏氟乙烯压电材料聚偏氟乙烯压电效应高分子压电材料高分子压电薄膜及拉制高分子压电材料高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板高分子压电材料压电式脚踏报警器高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）高分子压电材料压电元件结构形式Part

03车辆检测技术单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。+_+_U’

电路并联+_U’

_+电路串联+++++++++++___________++++++++++++____________

+++++++++++_____________________++++++++++压电元件结构形式压电元件结构形式在上述两种接法中，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场合。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，并且测量电路输入阻抗很高的场合。等效电路与测量电路Part

04车辆检测技术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，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：压电传感器等效电路式中：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。等效电路与测量电路压电传感器等效电路压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为压电式传感器的测量电路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前置放大器。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。

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。压电传感器的应用Part

05车辆检测技术

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。一、高分子压电材料的应用粘贴位置压电传感器的应用玻璃打碎报警装置压电传感器的应用压电式玻璃破碎报警器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器使用时，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。将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10×20mm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。质量块压电传感器的应用压电传感器的应用（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。压电式周界报警系统1压电传感器的应用

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。交通监测2压电传感器的应用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。高分子压电电缆的应用演示压电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，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。压电片的并联接法二压电陶瓷传感器的应用压电传感器的应用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。压电传感器的应用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式传感器测量双腿跳的动态力压电传感器的应用横向振动测振器纵向振动测振器三、压电式振动加速度传感器的结构及外形灵敏度：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%技术指标压电传感器的应用（以某小型“内装IC的压电加速度传感器”为例）四压电振动加速度传感器的性能指标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。五、压电振动加速度传感器在汽车中的应用压电传感器的应用爆震测量压电传感器的应用六振动的频谱分析及仪器测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪.时域图形压电传感器的应用依靠频谱分析法进行故障诊断压电传感器的应用减速箱故障