專題4壓電效應與壓電傳感器典型應用

2023/2/61專題4壓電效應與壓電傳感器典型應用2023/2/62

壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。

2023/2/631.壓電效應（80頁）外力沿壓電材料特定晶向作用使晶體變形，使得相對的晶面上產(chǎn)生電荷，去掉外力后壓電材料又重回不帶電狀態(tài)，這種由外力作用產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應。壓電效應可逆，在壓電材料特定晶向施加電場時，不僅有極化現(xiàn)象發(fā)生，還產(chǎn)生機械形變；去掉電場，應力和形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。當外力F沿特定方向作用壓電晶體時，在相對晶面上產(chǎn)生電荷Q，兩者的關(guān)系可表示為Q=dF式中，d為壓電常數(shù)，反映外力與其產(chǎn)生電荷的比例關(guān)系，表征壓電效應的強弱程度。2023/2/64石英晶體的壓電效應演示

當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2023/2/652.壓電材料的分類及特性（81頁）

壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。2023/2/66（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形2023/2/67天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2023/2/68石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2023/2/69石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振2023/2/610（二）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。2023/2/611壓電陶瓷外形

2023/2/612無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2023/2/613高分子壓電薄膜及拉制2023/2/614（三）高分子壓電材料

典型的高分子壓電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。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。2023/2/615高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2023/2/616可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

2023/2/617壓電式腳踏報警器

2023/2/618高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應）2023/2/6191)壓電元件在壓電材料垂直于極化方向的表面（其上呈現(xiàn)電荷）鍍上金屬電極、接上引線即可構(gòu)成壓電元件。2)等效電路壓電元件可視為電荷發(fā)生器。壓電元件受外力作用時在垂直于電軸或垂直于極化方向的兩個相對表面產(chǎn)生電荷，一個面上聚集正電荷，另一個面上為等量負電荷。當壓電元件兩表面聚集電荷時它是電容器，其電容量為

Ca=s/t=r0s/t

式中，s為電容器極板面積(m2)；t為壓電元件厚度(m)；為壓電材料的介電常數(shù)（F/m）；r為壓電材料的相對介電常數(shù)；0為真空中的介電常數(shù)，0=8.85×10－12F/m；Ca為壓電傳感器的內(nèi)部電容（F）。3.壓電元件的等效電路和測量轉(zhuǎn)換電路

（81到83頁）2023/2/6202)等效電路壓電元件可等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)電路。電容器上的電壓ua（開路電壓）、電荷q與電容Ca三者存在關(guān)系：ua=q/Ca，因此，壓電元件也可等效為一個電壓源與一個電容串聯(lián)的等效電路，考慮壓電傳感器的泄漏電阻時，電路如圖所示。2023/2/6213）測量電路壓電元件輸出信號非常微弱，需放大才能實現(xiàn)測量。但壓電元件內(nèi)阻抗相當高，難以直接使用一般放大器放大。除阻抗匹配問題外，連接電纜長度、噪聲都是突出問題。一般都需前置放大，這種電壓前置放大器也稱為阻抗變換器。壓電元件前置放大器的兩種形式：電壓放大器，輸出正比于輸入（即壓電元件輸出的電壓）；電荷放大器，輸出電壓正比于輸入電荷。2023/2/622

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長度等因素的影響很?。?/p>

電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。2023/2/6233）測量電路兩種前置放大器的主要區(qū)別：使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容變化非常敏感，尤其是對連接電纜長度的變化，適用于快變信號；使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響可忽略，適用于慢變信號。電壓和電荷放大器連接的等效電路如下。2023/2/6242023/2/625四通道電荷放大器外形.2023/2/626上圖所示的四通道電荷放大器指標（參考東方振動和噪聲技術(shù)研究所資料）

靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計算機或手動焊接式電荷放大器2023/2/627超小型電荷放大器模塊

主要指標:

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)2023/2/628其他電荷放大器外形面板式電荷放大器2023/2/629其他電荷放大器外形（續(xù)）2023/2/6304.壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)1）壓電式壓力傳感器使用目的不同，壓電式傳感器形式不同，但基本原理相同。圖示壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)組成：引線+殼體+基座+壓電晶片+受壓膜片+導電片等膜片受力F作用時，壓電晶片上產(chǎn)生電荷。每一個壓電片上產(chǎn)生的電荷為：q=d11F=d11SP式中，d11為壓電系數(shù)；F為作用在壓電晶片上的力；S為有效膜片面積；P為壓強，P=F/S。如果傳感器只由一個壓電晶片構(gòu)成，則電荷靈敏度kq=q/P，電壓靈敏度ku=U0/P，式中U0為壓電晶片的輸出電壓。2023/2/6312）壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計，用于飛機、車輛等的沖擊和振動檢測。壓電加速度傳感器組成：質(zhì)量塊+壓電元件+基座等如圖所示，基座用來將傳感器與待測物體剛性固定，使基座與待測物以同一加速度運動；壓電元件受質(zhì)量塊與加速度方向相反的慣性力作用，在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷（或電壓）。信號經(jīng)前置放大器放大后用測量儀器測量幅值，得到物體的加速度。2023/2/6325.壓電傳感器的應用

一、高分子壓電材料的應用

（1）玻璃打碎報警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。

粘貼位置2023/2/633高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)量塊

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。

使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。2023/2/634壓電傳感器只能應用于動態(tài)測量

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。

2023/2/635

（

2）壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。2023/2/636（3）交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。2023/2/637高分子壓電電纜的應用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

2023/2/638二、壓電陶瓷傳感器的應用

壓電片的并聯(lián)接法

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起，一般常用的是并聯(lián)接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。

2023/2/639壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

2023/2/640壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力2023/2/641三、振動測量及頻譜分析

（1）振動的基本概念

振動可分為機械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、運輸工具振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動和超低頻振動等。從振動信號的統(tǒng)計特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機振動等。

2023/2/642地震的巨大威力

2023/2/643地震波形2023/2/644（2）測振傳感器分類

測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。下面介紹壓電式測振傳感器及其應用。2023/2/645（3）壓電式振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形橫向振動測振器縱向振動測振器2023/2/646（4）壓電振動加速度傳感器的性能指標（以某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”為例）

技術(shù)指標：

靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點:15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%2023/2/647（5）壓電加速度傳感器的安裝及使用a)雙頭螺絲固定b)磁鐵吸附c)膠水粘結(jié)d)手持探針式

1—壓電式加速度傳感器2—雙頭螺栓3—磁鋼

4—粘接劑5—頂針

2023/2/648（6）壓電振動加速度傳感器在汽車中的應用

加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點火時刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動機輸出盡可能大的扭矩。2023/2/649爆震波形

汽車發(fā)動機中的氣缸點火時刻必須十分精確。如果恰當?shù)貙Ⅻc火時間提前一些，即有一個提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測并控制之。2023/2/650爆震測量2023/2/651（7）振動的頻譜分析及儀器時域圖形

測量時域圖形用的是示波器，測量頻域圖形用頻譜儀.2023/2/652頻譜儀

頻域圖形（頻譜圖）

頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標為頻率f，縱坐標可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了