第六章壓電傳感器

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1、了解壓電傳感器的工作原理；2、了解振動的參數(shù)；3、掌握壓電測振的原理。

第六章壓電傳感器

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退出第一節(jié)壓電傳感器的工作原理

壓電效應(yīng)——某些電介質(zhì)在沿一定方向受到外力的作用變形時(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在其表面產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)外力作用消失時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)外力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。

逆壓電效應(yīng)——在電介質(zhì)德極化方向上施加交變電場,它會產(chǎn)生機(jī)械變形,當(dāng)去掉外加電場,電介質(zhì)變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)(電致伸縮效應(yīng))。

實(shí)驗(yàn)表明，壓電材料的線應(yīng)變、剪應(yīng)變、體積應(yīng)變都可以引起壓電效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可以制造出感受各種外力的傳感元件。

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具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等。以石英晶體為例，簡要說明壓電效應(yīng)的機(jī)理。

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。

石英晶體有三個(gè)晶軸：

Z軸-光軸，它與晶體的縱軸線方向一致

x軸-電軸，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線并垂直于光軸

y軸-機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶柱棱面。

石英晶體的壓電效應(yīng)2008-10-3

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從晶體上沿xyz軸線切下的一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。它的六個(gè)面分別垂直于光軸、電軸和機(jī)械軸。通常把垂直于x軸的上下兩個(gè)面稱為x面，把垂直于y軸的面稱為y面。如圖所示。當(dāng)沿著x軸對晶片施加力時(shí)，將在x面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在x面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

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退出石英的壓電效應(yīng)解釋

石英SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子。當(dāng)沒有力作用時(shí)，硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。

若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時(shí)稱為橫向壓電效應(yīng)。在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。2008-10-3

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退出石英晶體的壓電效應(yīng)演示

在晶體的彈性限度內(nèi)，在x軸方向上施加壓力Fx時(shí)，在x面上產(chǎn)生的電荷為

Q=d11Fx

式中

d11——壓電常數(shù)。

當(dāng)力的方向改變時(shí)，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(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2008-10-3

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退出二、壓電材料的分類及特性

選用壓電材料應(yīng)考慮以下幾方面的問題：

1．轉(zhuǎn)換特性：較大的壓電系數(shù)，以使壓電傳感器具有較高的靈敏度；

2．機(jī)械特性：較高的強(qiáng)度與剛度，以期獲得較寬的線性范圍和較高的固有頻率；

3．電氣特性：較高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期削弱外部引線分布電容的影響；

4．溫度特性：較高的居里點(diǎn)（壓電材料是否具有壓電效應(yīng)的相應(yīng)溫度點(diǎn)），以期獲得較寬的溫度范圍。

應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。

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石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，介電常數(shù)于壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好。

具有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，絕緣性能好、動態(tài)響應(yīng)快、線性范圍寬、遲滯小等優(yōu)點(diǎn)。

但石英晶體的壓電常數(shù)小（d//=2.31×10-12C/N）,靈敏度低，且價(jià)格較貴，所以只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或高溫環(huán)境下工作的傳感器中作為壓電元件使用。

石英晶體分為天然

與人造晶體兩種。天然石英晶體性能優(yōu)于人造石英晶體，但天然石英晶體價(jià)格較貴。

（一）石英晶體2008-10-3

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退出石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2008-10-3

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退出石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振2008-10-3

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退出（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）。

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退出（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。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(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。2008-10-3

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將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為Ca

Ca=εrε0A/δ

式中

A——壓電元件電極面面積；

Δ——壓電元件厚度；

εr——壓電材料的相對介電常數(shù)；

ε0——真空的介電常數(shù)。

第二節(jié)壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

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因此，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相并聯(lián)的等效電路，如圖所示，也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容相串聯(lián)的等效電路

。

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，即需要轉(zhuǎn)換電路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。

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壓電式傳感器工作時(shí)，需與二次儀表配套使用，還應(yīng)考慮傳感器電纜電容Cc

，放大器輸入電阻Ri，輸入電容Ci，此時(shí)的等效電路如圖所示。

二、電荷放大器

當(dāng)被測振動較小時(shí)，壓電式傳感器的輸出信號非常微弱，一般需將電信號放大后才能檢測出來。

常使用電荷放大器來測量壓電式傳感器的輸出信號

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退出電荷放大器的輸出電壓可由下式得到式中

Q——壓電傳感器產(chǎn)生的電荷；

Cf

——并聯(lián)在放大器輸入端和輸出端之間的反饋電容。2008-10-3

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退出第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用

一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置

粘貼位置

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

使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)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(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號。2008-10-3

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2．壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)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(fēng)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。2008-10-3

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退出高分子壓電電纜的應(yīng)用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)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(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

3.交通監(jiān)測2008-10-3

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退出二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用

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，兩片壓電晶體構(gòu)成的傳感器有兩種接法：串聯(lián)和并聯(lián)。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。

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退出壓電傳感器只能應(yīng)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(shí)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(bǔ)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(shí)，靈敏度下降）。

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退出壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

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退出壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳

訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力2008-10-3

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退出第四節(jié)振動測量及頻譜分析

一、振動的基本概念

從振動對象來分，振動可分為機(jī)械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、運(yùn)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(jì)特征來看，可將振動分為周期振動、非周期振動以及隨機(jī)振動等。

二、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。2008-10-3

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退出三、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2008-10-3

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退出四、壓電振動加速度傳感器的性能指標(biāo)（以某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”為例）

技術(shù)指標(biāo)：

靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點(diǎn):15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%

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退出五、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

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退出六、壓電振動加速度傳感器在汽車中的應(yīng)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(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動機(jī)輸出盡可能大的扭矩。

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爆震波形

汽車發(fā)動機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)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(shí)，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。

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退出七、振動的頻譜分析及儀器

時(shí)域圖形