压电传感器的工作原理

关于压电传感器的工作原理25.04.2024125.04.20242第一节压电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。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。

第2页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20243一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。

第3页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20244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。第4页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20245二、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。第5页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20246（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形第6页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20247天然形成的石英晶体外形（续）

第7页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20248石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装第8页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.20249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。晶振第9页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202410（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）。第10页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202411压电陶瓷外形

第11页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202412无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

第12页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202413高分子压电薄膜及拉制第13页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202414（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。第14页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202415高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

第15页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202416可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

第16页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202417压电式脚踏报警器

第17页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202418高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）第18页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202419第二节压电传感器的测量转换电路

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。第19页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202420四通道电荷放大器外形

.第20页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202421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第21页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202422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第22页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202423其他电荷放大器外形面板式电荷放大器第23页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202424其他电荷放大器外形（续）第24页,共27页，2024年2月25日，星期天25.04.202425本章作业