壓電式傳感器總結(jié)

15.3壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應(yīng)和壓電材料第二節(jié)測(cè)量電路第三節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用

1精選ppt2壓電式傳感器：將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成由于材料受機(jī)械力而產(chǎn)生的靜電電荷或電壓變化的傳感器。壓電傳感器主要用于測(cè)量力以及那些可以轉(zhuǎn)換為力的其它物理量（如應(yīng)力、壓力、加速度等）。2精選ppt3第一節(jié)壓電效應(yīng)及壓電材料（一）正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。正壓電效應(yīng)：這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。發(fā)生正壓電效應(yīng)時(shí)，外力作用方向改變，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。一、壓電效應(yīng)3精選ppt4逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電材料在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。4精選ppt5壓電元件變形方式(a)厚度變形(TE);(b)長(zhǎng)度變形(LE)；(c)體積變形(VE)；(d)面切變形(FS)；(e)剪切變形(TS)5精選ppt6電致伸縮效應(yīng)：即電介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場(chǎng)平方成正比，與電場(chǎng)方向無關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無對(duì)稱中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對(duì)所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對(duì)稱性的晶體，還是極性晶體。壓電效應(yīng)可逆性6精選ppt7（二）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)主要分為單晶體和多晶體兩類。最常用的單晶體是天然形成的石英晶體。多晶體壓電材料主要是人工制造的壓電陶瓷。以壓電陶瓷為例。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì),如圖2-4-1（a）所示。7精選ppt8在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性,如圖2-4-1（b）所示。圖2-4-1壓電陶瓷的極化(a)未極化;(b)已極化8精選ppt9壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性。壓電陶瓷的極化9精選ppt10

極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：式中：

d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。10精選ppt11壓電常數(shù)dij有兩個(gè)下標(biāo)：i(i=1,2,3)——表示在i面上產(chǎn)生電荷，i=1,2,3分別表示在垂直于x,y,z軸的晶面，即x,y,z面上產(chǎn)生電荷。j(j=1,2,3,4,5,6)——其中j=1,2,3分別表示晶體沿x,y,z軸方向承受單向力；j=4,5,6分別表示晶體在yz平面，zx平面和xy平面上承受剪切力。11精選ppt12通常從晶體上沿三軸線切下一個(gè)平行六面體切片，即其晶面分別平行z-z、y-y、x-x軸線。切片在受到沿不同方向的作用力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的極化作用，主要的壓電效應(yīng)有縱向效應(yīng)、橫向效應(yīng)和切向效應(yīng)三種。12精選ppt13壓電陶瓷極性與受力關(guān)系13精選ppt14在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。（一）壓電材料的主要特性介電常數(shù):介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)。對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。實(shí)際工作中，常使用相對(duì)介電常數(shù)。彈性常數(shù):用來反映壓電材料的彈性性質(zhì)。壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。二、壓電材料14精選ppt15壓電系數(shù)：是壓電材料所特有的一種重要參數(shù)，它描述的是壓電材料的基本靈敏度，用dij表示。正壓電效應(yīng)中，dij表示晶體受單位作用力時(shí)的電荷輸出量（單位C/N）；負(fù)壓電效應(yīng)中，dij表示在單位電勢(shì)作用下產(chǎn)生的應(yīng)變（單位m/V）。dij越高，壓電效應(yīng)越顯著，靈敏度越高。在某些場(chǎng)合也用壓電系數(shù)gij表示在開路情況下的壓電材料常數(shù)。它描述壓電元件的電壓靈敏度，表示壓電晶體受單位作用力時(shí)所產(chǎn)生的開路電壓，并定義為單位機(jī)械應(yīng)力所造成的電場(chǎng)強(qiáng)度。機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。15精選ppt16機(jī)械品質(zhì)因數(shù)：是表征壓電材料在諧振時(shí)機(jī)械損耗大小的物理量。壓電材料的組織結(jié)構(gòu)越致密，機(jī)械損耗越小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)就越大。介質(zhì)損耗：在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的電能。頻率常數(shù)：壓電元件的諧振頻率與沿振動(dòng)方向的長(zhǎng)度之乘積。如果頻率常數(shù)為已知，則可根據(jù)頻率常數(shù)來選擇壓電元件的尺寸，使它的諧振頻率達(dá)到所要求的數(shù)值。居里點(diǎn)溫度:它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。穩(wěn)定性：分時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。16精選ppt17表常用壓電材料性能參數(shù)17精選ppt18（二）常用壓電材料１.壓電晶體（1）石英（SiO2）天然或人工合成。具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和壓電效應(yīng)。壓電系數(shù)較小(d11=2.3×10-12C/N)，但壓電系數(shù)的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性好。在20~200℃內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減小0.016%，升高到200℃時(shí)，僅減小5%，達(dá)到573℃時(shí)，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點(diǎn)。介電常數(shù)為4.5。（2）鈮酸鋰(LiNbO3)居里點(diǎn)1210℃，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，抗沖擊性差。18精選ppt192.壓電陶瓷（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷具有較高的壓電系數(shù)(d33=107×10-12C/N)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英，且居里點(diǎn)較低（約為120℃）。（2）鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT）具有較高的壓電系數(shù)(d33=200~500×10-12C/N)和居里點(diǎn)(300℃以上)，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。是傳感器中經(jīng)常采用的一種壓電材料。19精選ppt20３.高分子聚合物壓電薄膜聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)等。易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。在醫(yī)用傳感器和電聲、超聲、水聲等領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。20精選ppt21第二節(jié)測(cè)量電路壓電式傳感器及其等效電路壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的電荷源，其電容為：電容兩極板間開路電壓為：一、壓電式傳感器的等效電路21精選ppt22壓電元件的等效電路若考慮負(fù)載，則等效電路如下：22精選ppt23假設(shè)一恒定力F作用于壓電元件，產(chǎn)生電量Q，則輸出電壓：壓電傳感器本身產(chǎn)生的電荷量很小，且傳感器本身的電阻很大(壓電元件漏電阻Ra一般在1013~1014Ω以上)，因此輸出信號(hào)很微弱，給后續(xù)測(cè)量電路提出很高的要求。由于傳感器的內(nèi)阻及后續(xù)測(cè)量電路輸入電阻Ri并非無限大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，造成測(cè)量誤差。電路放電時(shí)間常數(shù)τ=(Ra//Ri)·C≈Ri·C(一般Ra>>Ri)。為了減小誤差，Ri越大越好。23精選ppt24由于電荷泄漏使得利用壓電傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。

實(shí)際應(yīng)用中為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個(gè)或兩個(gè)以上的晶體串聯(lián)或并聯(lián)。24精選ppt25并聯(lián)時(shí)，輸出電荷量大、電容大、時(shí)間常數(shù)大；

適宜測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷輸出的場(chǎng)合。串聯(lián)時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小。

適宜測(cè)量高頻信號(hào)和以電壓輸出的場(chǎng)合。25精選ppt26由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器：電壓放大器或電荷放大器，對(duì)傳感器輸出的電壓或電荷信號(hào)進(jìn)行放大處理，并實(shí)現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，再用一般的放大、檢波電路輸入到指示儀表或記錄器。

前置放大器的作用：1、阻抗變換，將壓電傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；2、信號(hào)放大，將壓電傳感器輸出的弱信號(hào)進(jìn)行放大。二、前置放大器26精選ppt27設(shè)作用于壓電元件上的交變力F=F0sinωt。則：（一）電壓放大器則有：27精選ppt28由等效電路圖可求出送至前置放大器輸入端的電壓Usr因此前置放大器的輸入電壓幅值Usm為：定義壓電傳感器輸出電壓靈敏度為：28精選ppt29當(dāng)，可得傳感器的電壓靈敏度也近似為：可得結(jié)論如下：

Usrm和Ku都與Cc有關(guān)，當(dāng)改變電纜長(zhǎng)度或布線方法時(shí)，Usrm和Ku都會(huì)改變，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。29精選ppt30

若壓電元件上作用靜態(tài)力(ω=0)，Usrm和Ku均等于0。即壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)力。若被測(cè)量是準(zhǔn)靜態(tài)量，必須增大測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，以維持ω2R2(Ca+Cc+Ci)2>>1，減少ω對(duì)Usrm和Ku的影響。顯然增加電容會(huì)降低靈敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低頻響應(yīng)越好。對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量，ω較大，易滿足ω2R2(Ca+Cc+Ci)2>>1，此時(shí)，Usrm和Ku近似與ω?zé)o關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。30精選ppt31解決電纜問題的辦法：將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個(gè)超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào)，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。

31精選ppt32（二）電荷放大器電荷放大器是一個(gè)高增益帶電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，其輸入阻抗極高（1012Ω以上）。且有32精選ppt33將反饋電容折合到輸入端,可得電荷放大器的等效電路如下：同樣可求得輸入電壓：其中，33精選ppt34則輸入電壓幅值則輸出電壓為若則34精選ppt35結(jié)論：在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器產(chǎn)生的電荷成正比，與反饋電容成反比，而與Ca、Cc、Ci無關(guān)。電纜分布電容變化不會(huì)影響傳感器靈敏度及測(cè)量結(jié)果是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。若則35精選ppt36

只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電容量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。在電荷放大器的實(shí)際電路中，考慮到被測(cè)量的大小，以及后續(xù)放大電路不致因輸入信號(hào)太大而導(dǎo)致飽和，反饋電容Cf的容量做成可選擇的，選擇范圍在100~10000pF之間。選擇不同的反饋電容，可改變前置放大器的輸出大小。

由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻Rf（約1010~1014Ω），作用是提供直流反饋。36精選ppt37電壓放大器和電荷放大器比較：電荷放大器允許使用長(zhǎng)電纜，而電壓放大器使用長(zhǎng)電纜會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度；電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時(shí)宜綜合考慮。

電荷放大器的時(shí)間常數(shù)RfCf很大（105s以上），因此其下限截止頻率低達(dá)3×10-6Hz。37精選ppt38基于正壓電效應(yīng)的力-電轉(zhuǎn)換型：首先把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成力，然后再測(cè)量?；谀鎵弘娦?yīng)的諧振型：用壓電諧振器作為敏感元件，利用被測(cè)量調(diào)制壓電諧振器的參數(shù)（如頻率）來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。不適于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，

廣泛應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)及動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。第三節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用38精選ppt39壓電式傳感器的特點(diǎn)：

能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器；體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍；靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠；有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象；低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜。39精選ppt40一、壓電式加速度傳感器壓縮型結(jié)構(gòu)圖壓電元件——質(zhì)量塊——彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接，基座與測(cè)試對(duì)象連接。利用壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力（F=ma）也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則產(chǎn)生的電壓（或電荷）與被測(cè)加速度成正比。40精選ppt41剪切型壓電式加速度傳感器當(dāng)傳感器受到振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量環(huán)由于慣性而有一個(gè)滯后，這樣在壓電元件上就出現(xiàn)剪切應(yīng)力，產(chǎn)生剪切形變，從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷，其電場(chǎng)方向垂直于極化方向。剪切式加速度計(jì)具有很高的靈敏度、很高的固有頻率和很寬的頻率響應(yīng)范圍，特別適用于測(cè)量高頻振動(dòng)。所有，有替代壓縮型的趨勢(shì)。41精選ppt4242精選ppt4343精選ppt44二、壓電式壓力傳感器

壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。變形方式：利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式（厚度變形）最簡(jiǎn)便。材料選擇：決定于所測(cè)力的量值大小，對(duì)測(cè)量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。晶片數(shù)目：通常是使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。 晶片電氣并聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷輸出靈敏度增大一倍。44精選ppt45壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量

45精選ppt46壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置46精選ppt47高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

47精選ppt48可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

48精選ppt49壓電式腳踏報(bào)警器

49精選ppt50玻璃打碎報(bào)警裝置

粘貼位置將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。50精選ppt51隨著電纜電容的增加，壓電式加速度計(jì)的輸出電荷靈敏度將（）。

A.相應(yīng)減小 B.比例增加C.保持不變

2.壓電式加速度計(jì)，其壓電片并聯(lián)時(shí)可提高（）。

A.電壓靈敏度 B.電荷靈敏度C.電壓和電荷靈敏度

壓電材料按一定方向放置在交變電場(chǎng)中，其幾何尺寸將隨之發(fā)生變化，這稱之為（）效應(yīng)。

A.壓電 B.壓阻C.壓磁D.逆壓電壓電式