压电传感器（传感技术课件）

任务8.1霍尔传感器任务8.2压电传感器项目8其他类型的传感器任务8.3超声波传感器任务8.4光纤、红外、激光传感器8.2压电传感器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，从而实现测量非电量的目的。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。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。历史沿革1903年居里兄弟皮埃尔与杰克斯发现压电效应。正、逆压电效应某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。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。压电材料的分类及特性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。石英晶体天然形成的石英晶体外形石英晶体切片及封装石英晶体薄片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，正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。石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，后者是成对的，所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。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。－－－－－－石英晶体的压电效应如果沿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。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。石英晶体的压电效应从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在X或Y轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴平行，在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。石英晶体的压电效应压电效应式中，Q为电荷[量]；d为压电常数，与材质及切片方向有关；f为作用力。Q=dfyxzO石英晶体的压电效应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钛酸钡等）。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态，压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化。

a)极化前

b)极化

c)极化后压电陶瓷的极化过程压电陶瓷外形

经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。压电陶瓷的压电效应超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片压电陶瓷的压电效应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。高分子压电薄膜及拉制高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

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）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黏结在一起。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。压电元件的串联和并联接法压电元件的结构形式压电传感器的等效电路压电元件受力作用时产生电荷，因此它可以等效为一个电容器，所以压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电荷Ｑ，压电元件产生开路电压Ｕ。压电元件的等效电路a）结构图 b）等效电荷源 c）等效电压源压电元件的等效电路压电传感器的等效电路(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca

和一个电容Ca的串联电路测量电路前置放大器的作用：一是放大压电元件的微弱信号；二是高阻抗输入变为低阻抗输出。压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏将引起测量误差。压电式加速度传感器压电式加速度传感器输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。测量压力它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压力式力传感器和测力锤它利用石英晶体的纵向压电效应，将“力”转换成“电荷”，并通过二次仪表转换成电压，具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快等优点。可以测量动态力、准静态力和冲击力。压电式压力传感器压电式压力传感器特性传感器上盖为传力元件。当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。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。1）行驶中称重：其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，并根据超载量罚款。压电传感器的应用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。压电传感器的应用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。当轮胎经过传感器A时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B时，时钟停止。两个传感器之间的距离一般是3米，或比3米短一些(可根据需要确定)。传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期，就可得出车速。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。粘贴位置压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器将厚约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。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。PVDF压电薄膜是一