新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-压电式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（6）-压电式传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（6）-压电式传感器3第五部分思考题（6）发表在MOOC讨论区里1.讨论温度对压电效应的影响；2.压电式加速度传感器能否测量倾斜角？为什么？有实现方式吗？

3.针对右图传感器，简述其工作原理、应用特点，分析影响测量的因素及可采取的补偿措施5.6.1主要压电材料及其特性5.6.2压电元件的信号转换电路5.6.3压电式传感器的典型实例5.6.4压电式传感器的抗干扰问题45石英谐振器5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

61.压电机理

A石英晶体理想外形A图为右旋石英晶体理想外形，几何规则形状；石英晶体的三个晶轴（B图）：

B石英晶体直角坐标系光轴z，光学方法确定，无压电特性；电轴

x，垂直于光轴过晶体棱线；机械轴y，垂直于zx

平面石英晶体压电特性与内部结构有关；石英(SiO2)晶体硅离子和氧离子在xy

平面的投影，等效为正六边形排列；见C图；石英晶体未受外力作用(a)，电偶极矩矢量和为零，无电荷产生，呈电中性C石英晶体直角坐标系5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

x

向受压缩力(图b)产生压缩变形，电偶极矩三个分量为7C石英晶体直角坐标系纵向压电效应：x

向受压缩力，在x

正向晶面出现正电荷在y

晶面和z

晶面无电荷；y

向受压缩力(图c)产生x轴方向拉伸变形，电偶极矩三个分量为横向压电效应：y

向受压缩力，在x晶面出现电荷；在y

晶面和z

晶面无电荷1.压电机理

5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

z向受力，在x向和y向变形相同，电偶极矩沿x向和沿y向分量为零；故沿z轴(光轴)施加力，无压电效应；各方向受均等力(如液体压力)，保持电中性，即石英晶体无体积变形压电效应82.压电常数

石英晶体平行六面体切片图示平行六面体石英晶片正压电效应1.压电机理

C石英晶体直角坐标系5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

9有两个独立压电常数：左旋石英晶体，取正号；右旋石英晶体，取负号石英晶体平行六面体切片压电效应四种基本应用方式(1)厚度变形：通过d11产生x

轴纵向压电效应；(2)长度变形：通过-d11

产生y

轴横向压电效应；(3)面剪切变形：晶体受剪切力的面与产生电荷的面相同；对x

切晶片，通过d14将x面剪切应力转变成x面的电荷；(4)厚度剪切变形：晶体受剪切力的面与产生电荷的面不共面；对y切晶片，在z面作用剪切应力，通过-2d11在y面产生电荷2.压电常数

5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

3.主要特性

10一种性能优良的天然压电晶体；介电常数和压电常数温度稳定性非常好；在20～200℃，温度升高1℃，压电常数仅减少0.016％；上升到400℃，压电常数d11仅减小5％；上升到500℃，d11急剧下降；温度达到573℃，失去压电特性，该温度称居里温度点；特性较弱，但机械强度高、绝缘性好；迟滞小、重复性好、固有频率高、动态响应好5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

11某些切型具有热敏感性，石英谐振器谐振频率随温度而变化；研究表明：在-200～200℃，温度-频率特性为温度系数与压电元件取向、振动模态有关；感温元件，选择恰当频率温度系数；非感温元件，选择适当切型和工作模式，降低其频率温度系数初始温度时频率一、二、三阶频率温度系数4.石英压电谐振器的热敏感性

5.6.1主要压电材料及其特性（石英晶体）

12压电陶瓷元件压电换能器5.6.1主要压电材料及其特性（压电陶瓷）

131.压电机理

人工合成多晶压电材料，由无数细微电畴组成；这些电畴极化方向任意排列，图a极化处理：在一定温度，对压电陶瓷施加强电场(如20～30kV/cm直流电场)，经2～3h，其内部电畴极化方向趋向电场方向，如图b；压电陶瓷呈压电效应2.压电常数

压电陶瓷沿z轴极化，z面任意设定相互垂直的x轴和y轴；压电陶瓷有三个独立压电常数：d33、d33、d15；如钛酸钡压电陶瓷压电常数矩阵有厚度变形、长度变形和剪切变形，也可利用体积变形ab5.6.1主要压电材料及其特性（压电陶瓷）

压电陶瓷电畴示意图143.常用压电陶瓷

(1)钛酸钡压电陶瓷

(2)锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)压电常数d33是石英晶体压电常数d11几十倍，介电常数和体电阻率较高；温度稳定性、长期稳定性、机械强度都不如石英晶体；工作温度低，居里温度点为115℃；由锆酸铅和钛酸铅组成的固溶体；介电常数高，机电参数的较稳定；性能优于钛酸钡；PZT是应用最普遍的压电陶瓷；锆钛酸铅中添加微量元素，如铌(Nb)、锑(Sb)、锡(Sn)、锰(Mn)、钨(W)等，得不同性能5.6.1主要压电材料及其特性（压电陶瓷）

15聚偏二氟乙烯(PVF2)是一种高分子半晶态聚合物；制成压电薄膜有较高电压灵敏度，比PZT大17倍；动态品质好，在10-5

Hz～500MHz响应特性平坦，特别适合利用正压电效应；机械强度高、柔软、耐冲击、易加工成大面积元件和阵列元件、价格便宜等；拉伸方向压电常数最大(d31=20×10-12C/N)，垂直于拉伸方向压电常数最小(d32=0.2d31)；测量低于1MHz动态量时，多用PVF2拉伸或弯曲横向压电效应；在超声和水声探测中有优势；其声阻抗与水的声阻抗接近，声学匹配良好；PVF2

也用于加速度和动态压力测量5.6.1主要压电材料及其特性（聚偏二氟乙烯）

16压电元件的等效电路压电元件受外力作用，在其电极面产生电荷，相对于电荷发生器，等效电容量为图a考虑直流漏电阻Rp(又称体电阻)的等效电路，可忽略Rp；图b将压电元件等效于电荷源与电容并联；图c将压电元件等效于电压源和电容串联a)b)c)5.6.1主要压电材料及其特性（等效电路）

175.6.1主要压电材料及其特性5.6.2压电元件的信号转换电路5.6.3压电式传感器的典型实例5.6.4压电式传感器的抗干扰问题181.电荷放大器

电荷放大器压电元件直接输出电荷量，输出阻抗高，易引起干扰；故多采用电荷放大器电荷放大器输出输出只与压电元件产生的电荷量和反馈阻抗有关，与电路等效输入电容(含干扰电容)无关，同时实现阻抗转换；

→电荷放大器的一个重要优点2.电压放大器

还可采用图示电压放大器；该电路易受电缆干扰电容影响Ca，Ra

——压电元件的电容和绝缘电阻；Cc，Cin

——电缆电容和前置放大器输入电容；Rin

——前置放大器输入电阻；电压放大器5.6.2压电元件的信号转换电路19压电元件的连接方式为提高灵敏度，把两(多)片压电元件按并联(电荷放大器)或串联(电压放大器)连接，见图图a并联结构并联提高电荷灵敏度，宜用电荷放大器图b串联结构串联提高电压灵敏度，宜用电压放大器5.6.2压电元件的信号转换电路（并联与串联）205.6.1主要压电材料及其特性5.6.2压电元件的信号转换电路5.6.3压电式传感器的典型实例5.6.4压电式传感器的抗干扰问题211.原理结构图示一种以圆平膜片为敏感元件压电式压力传感器结构；为保证传感器有良好线性度和长期稳定性，能工作于较高环境温度，压电元件采用两片xy(X0o)切型石英晶片，并联；压力经传力块施加到石英晶片，产生厚度变形；为高性能，壳体及后座(即芯体)刚度要大，传力块及导电片用高声速材料采用两片石英晶片，输出总电荷量为2.应用特点

优点：用于动态测量，有较高灵敏度和分辨率、频带宽、体积小、质量小、工作可靠等；缺点：预压应力易使膜片产生弯曲变形，影响线性度和动态性能；环境温度变化易引起膜片变形，产生不稳定输出膜片式压电压力传感器5.6.3压电式传感器的典型实例（压力）222.应用特点为克服预载过程膜片变形，采取预紧筒加载结构，如图A；该方案优点之一是在预紧筒外围空腔内可注入冷却水，降低晶片温度，保证传感器在较高的环境温度下正常工作B活塞压电式压力传感器A

预紧筒加载的压电式压力传感器图B为活塞压电式压力传感器的结构图；利用活塞将压力转换为集中力后直接施加到压电晶体上，使之输出电荷，实现测量5.6.3压电式传感器的典型实例（压力）231.原理结构压电式加速度传感器结构图为该传感器原理结构；传感器由质量块、硬弹簧、压电晶片和基座组成；质量块由密度较大材料(如钨或重合金)制成；硬弹簧对质量块加载，产生预压力；为提高灵敏度，可采用两(多)片晶片重叠放置连接下图为传感器常见结构形式：a

为外圆配合压缩式；b中心配合压缩式；c倒装中心配合压缩式；d剪切式abcd5.6.3压电式传感器的典型实例（加速度）传感器基座随被测物体一起运动，因弹簧刚度很大，质量块m

相对很小，感受与被测物体相同加速度，产生与加速度正比惯性力；惯性力使压电片产生与加速度成正比电荷qa或电压ua；采用压电陶瓷，电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为

2.工作原理及灵敏度压电式加速度传感器结构5.6.3压电式传感器的典型实例（加速度）上限响应频率取决于机械部分：“质量-阻尼-弹簧”系统，其位移幅频特性电荷灵敏度，低频时，电荷灵敏度为常值253.频率响应特性图为未考虑下限频响时传感器的幅频特性；低频段灵敏度为常值压电片高频响应好，低频响应差；采用电荷放大器，传感器下限响应频率受电荷放大器下限截止频率限制压电式加速度传感器频响（不考虑下限频响）→电荷放大器下限截止频率可至0.3Hz；频率过低，灵敏度降低5.6.3压电式传感器的典型实例（加速度）264.应用特点压电式加速度传感器频响（不考虑下限频响）体积小、质量小，频带宽(零点几Hz到数十kHz)；测量范围宽(10-5～104m·s-2

)；温度宽(高温到700℃)广泛用于加速度、振动和冲击测量5.6.3压电式传感器的典型实例（加速度）271.结构原理

压电式超声波流量传感器原理图图为传感器原理示意；管道上安装两套超声波发射器(T1，T2

)和接收器(R1，R2)；它们与流体流动方向夹角θ，流体平均速度v；T1

→

R1(顺流)，声速增，传播时间缩短；T2

→

R2(逆流)，声速降，传播时间加长

→两路信号时间差或相位差，实现测量2.特性方程T1

→

R1传播时间T2

→

R2传播时间5.6.3压电式传感器的典型实例（流量）28压电式超声波流量传感器原理图2.特性方程声波顺流和逆流时间差

两个接收器信号相位差T1

→

R1传播时间T2

→

R2传播时间T1

→

R1传播重复频率T2

→

R2传播重复频率频差、流速、体积流量分别为5.6.3压电式传感器的典型实例（流量）29频差法测流速和体积流量均与声速无关，精度高；无压力损失，与流体粘度、温度等无关；适合大口径液体流量测量，也用于供热计量3.应用特点

2.特性方程（频差法）多声路检测模式5.6.3压电式传感器的典型实例（流量）305.6.1主要压电材料及其特性5.6.2压电元件的信号转换电路5.6.3压电式传感器的典型实例5.6.4压电式传感器的抗干扰问题31环境温度变化引起压电材料压电常数、介电常数、体电阻和弹性模量等变化；温度升高，等效电容增、体电阻减、电荷灵敏度增、时间常数减、低频响变差；环境温度缓变，压电陶瓷有明显热释电效应，传感器低频特性变差；因石英晶体对缓变温度不敏感，故可测量很低频率的信号；环境温度瞬变，影响较大；产生热应力传递给压电元件，产生干扰输出；瞬变温度引起输出信号频率较高，幅度较大，使放大器输出饱和，淹没有用信号瞬变温度误差补偿（1）采用剪切型结构

（2）采用隔热片

（3）采用温度补偿片（4）采用冷却措施5.6.4压电式传感器的抗干扰问题（环境温度）具有隔热片的压电式压力传感器说明：测量爆炸冲击波压力时，在敏感膜片与压电元件之间放置绝热垫片，减小高温对压电元件冲击具有温度和加速度补偿的压电式压力传感器敏感元件与压电元件之间放置适当温度补偿片，其热膨胀系数比壳体等材料热膨胀系数大，变形抵消壳体等热膨胀变形32瞬变温度误差补偿（1）采用剪切型结构

（2）采用隔热片

（3）采用温度补偿片（4）采用冷却措施5.6.4压电式传感器的抗干扰问题（环境温度）33产生横向灵敏度原因分析：横向灵敏度说明以一压电式加速度传感器为例进行说明；理想情况，传感器只感受主轴方向加速度；在横向加速度作用下，传感器有一定输出，该输出与横向加速度之比称为横向灵敏度；晶片切割时切角定向误差、压电陶瓷极化方向偏差；

→

最大灵敏度方向与主轴方向不重合，横向加速度在最大灵敏度方向分量不为零，引起误差，如图示