压电式传感器总结

15.3压电式传感器第一节压电效应和压电材料第二节测量电路第三节压电式传感器的应用

1精选ppt2压电式传感器：将被测量变化转换成由于材料受机械力而产生的静电电荷或电压变化的传感器。压电传感器主要用于测量力以及那些可以转换为力的其它物理量（如应力、压力、加速度等）。2精选ppt3第一节压电效应及压电材料（一）正压电效应和逆压电效应压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。正压电效应：这种将机械能转换为电能的现象称为正压电效应。发生正压电效应时，外力作用方向改变，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。一、压电效应3精选ppt4逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质能产生机械振动，即压电材料在电极方向上有伸缩的现象，电场去掉后，电介质的变形随之消失的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。4精选ppt5压电元件变形方式(a)厚度变形(TE);(b)长度变形(LE)；(c)体积变形(VE)；(d)面切变形(FS)；(e)剪切变形(TS)5精选ppt6电致伸缩效应：即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。压电效应可逆性6精选ppt7（二）压电陶瓷的压电效应具有压电效应的物质主要分为单晶体和多晶体两类。最常用的单晶体是天然形成的石英晶体。多晶体压电材料主要是人工制造的压电陶瓷。以压电陶瓷为例。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质,如图2-4-1（a）所示。7精选ppt8在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性,如图2-4-1（b）所示。图2-4-1压电陶瓷的极化(a)未极化;(b)已极化8精选ppt9压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。压电陶瓷的极化9精选ppt10

极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：式中：

d33——

压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。10精选ppt11压电常数dij有两个下标：i(i=1,2,3)——表示在i面上产生电荷，i=1,2,3分别表示在垂直于x,y,z轴的晶面，即x,y,z面上产生电荷。j(j=1,2,3,4,5,6)——其中j=1,2,3分别表示晶体沿x,y,z轴方向承受单向力；j=4,5,6分别表示晶体在yz平面，zx平面和xy平面上承受剪切力。11精选ppt12通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行z-z、y-y、x-x轴线。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有纵向效应、横向效应和切向效应三种。12精选ppt13压电陶瓷极性与受力关系13精选ppt14在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。（一）压电材料的主要特性介电常数:介电常数反映材料的介电性质。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。实际工作中，常使用相对介电常数。弹性常数:用来反映压电材料的弹性性质。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。二、压电材料14精选ppt15压电系数：是压电材料所特有的一种重要参数，它描述的是压电材料的基本灵敏度，用dij表示。正压电效应中，dij表示晶体受单位作用力时的电荷输出量（单位C/N）；负压电效应中，dij表示在单位电势作用下产生的应变（单位m/V）。dij越高，压电效应越显著，灵敏度越高。在某些场合也用压电系数gij表示在开路情况下的压电材料常数。它描述压电元件的电压灵敏度，表示压电晶体受单位作用力时所产生的开路电压，并定义为单位机械应力所造成的电场强度。机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。15精选ppt16机械品质因数：是表征压电材料在谐振时机械损耗大小的物理量。压电材料的组织结构越致密，机械损耗越小，机械品质因数就越大。介质损耗：在单位时间内因发热而消耗的电能。频率常数：压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度之乘积。如果频率常数为已知，则可根据频率常数来选择压电元件的尺寸，使它的谐振频率达到所要求的数值。居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。稳定性：分时间稳定性和温度稳定性。16精选ppt17表常用压电材料性能参数17精选ppt18（二）常用压电材料１.压电晶体（1）石英（SiO2）天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小(d11=2.3×10-12C/N)，但压电系数的时间和温度稳定性好。在20~200℃内，温度每升高1℃，压电系数仅减小0.016%，升高到200℃时，仅减小5%，达到573℃时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。（2）铌酸锂(LiNbO3)居里点1210℃，具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，抗冲击性差。18精选ppt192.压电陶瓷（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数(d33=107×10-12C/N)和介电常数，机械强度不如石英，且居里点较低（约为120℃）。（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT）具有较高的压电系数(d33=200~500×10-12C/N)和居里点(300℃以上)，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。是传感器中经常采用的一种压电材料。19精选ppt20３.高分子聚合物压电薄膜聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。在医用传感器和电声、超声、水声等领域得到愈来愈广泛的应用。20精选ppt21第二节测量电路压电式传感器及其等效电路压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电容为：电容两极板间开路电压为：一、压电式传感器的等效电路21精选ppt22压电元件的等效电路若考虑负载，则等效电路如下：22精选ppt23假设一恒定力F作用于压电元件，产生电量Q，则输出电压：压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的电阻很大(压电元件漏电阻Ra一般在1013~1014Ω以上)，因此输出信号很微弱，给后续测量电路提出很高的要求。由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻Ri并非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。电路放电时间常数τ=(Ra//Ri)·C≈Ri·C(一般Ra>>Ri)。为了减小误差，Ri越大越好。23精选ppt24由于电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜做动态测量。

实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联。24精选ppt25并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；

适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。

适宜测量高频信号和以电压输出的场合。25精选ppt26由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器：电压放大器或电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大、检波电路输入到指示仪表或记录器。

前置放大器的作用：1、阻抗变换，将压电传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；2、信号放大，将压电传感器输出的弱信号进行放大。二、前置放大器26精选ppt27设作用于压电元件上的交变力F=F0sinωt。则：（一）电压放大器则有：27精选ppt28由等效电路图可求出送至前置放大器输入端的电压Usr因此前置放大器的输入电压幅值Usm为：定义压电传感器输出电压灵敏度为：28精选ppt29当，可得传感器的电压灵敏度也近似为：可得结论如下：

Usrm和Ku都与Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，Usrm和Ku都会改变，从而导致测量误差。29精选ppt30

若压电元件上作用静态力(ω=0)，Usrm和Ku均等于0。即压电传感器不能测量静态力。若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持ω2R2(Ca+Cc+Ci)2>>1，减少ω对Usrm和Ku的影响。显然增加电容会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低频响应越好。对动态测量，ω较大，易满足ω2R2(Ca+Cc+Ci)2>>1，此时，Usrm和Ku近似与ω无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。30精选ppt31解决电缆问题的办法：将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。压电式加速度传感器

压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。

31精选ppt32（二）电荷放大器电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012Ω以上）。且有32精选ppt33将反馈电容折合到输入端,可得电荷放大器的等效电路如下：同样可求得输入电压：其中，33精选ppt34则输入电压幅值则输出电压为若则34精选ppt35结论：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器产生的电荷成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc、Ci无关。电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。若则35精选ppt36

只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电容量Q变化成线性关系的输出电压。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测量的大小，以及后续放大电路不致因输入信号太大而导致饱和，反馈电容Cf的容量做成可选择的，选择范围在100~10000pF之间。选择不同的反馈电容，可改变前置放大器的输出大小。

由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻Rf（约1010~1014Ω），作用是提供直流反馈。36精选ppt37电压放大器和电荷放大器比较：电荷放大器允许使用长电缆，而电压放大器使用长电缆会影响传感器的测量精度；电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。

电荷放大器的时间常数RfCf很大（105s以上），因此其下限截止频率低达3×10-6Hz。37精选ppt38基于正压电效应的力-电转换型：首先把被测量转换成力，然后再测量。基于逆压电效应的谐振型：用压电谐振器作为敏感元件，利用被测量调制压电谐振器的参数（如频率）来实现测量。不适于测量缓慢变化的信号，

广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。第三节压电式传感器的应用38精选ppt39压电式传感器的特点：

能量转换型（发电型）传感器；体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围；灵敏度高，稳定性好，可靠；有比较理想的线性，且通常没有滞后现象；低频特性较差，主要用于动态测量；应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆。39精选ppt40一、压电式加速度传感器压缩型结构图压电元件——质量块——弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。利用压电效应，在加速度计受振动时，质量块加在压电元件上的力（F=ma）也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压（或电荷）与被测加速度成正比。40精选ppt41剪切型压电式加速度传感器当传感器受到振动时，质量环由于惯性而有一个滞后，这样在压电元件上就出现剪切应力，产生剪切形变，从而在压电元件的内外表面上产生电荷，其电场方向垂直于极化方向。剪切式加速度计具有很高的灵敏度、很高的固有频率和很宽的频率响应范围，特别适用于测量高频振动。所有，有替代压缩型的趋势。41精选ppt4242精选ppt4343精选ppt44二、压电式压力传感器

压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。变形方式：利用纵向压电效应的TE方式（厚度变形）最简便。材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。 晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍。44精选ppt45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

45精选ppt46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46精选ppt47高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

47精选ppt48可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

48精选ppt49压电式脚踏报警器

49精选ppt50玻璃打碎报警装置

粘贴位置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。50精选ppt51随着电缆电容的增加，压电式加速度计的输出电荷灵敏度将（）。

A.相应减小 B.比例增加C.保持不变

2.压电式加速度计，其压电片并联时可提高（）。

A.电压灵敏度 B.电荷灵敏度C.电压和电荷灵敏度

压电材料按一定方向放置在交变电场中，其几何尺寸将随之发生变化，这称之为（）效应。

A.压电 B.压阻C.压磁D.逆压电压电式