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：將被測量變化轉(zhuǎn)換成由于材料受機械力而產(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，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷，當外力去掉后，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，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)：當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)能產(chǎn)生機械振動，即壓電材料在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，電場去掉后，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)變大小與電場平方成正比，與電場方向無關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對所有的電介質(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。在無外電場作用時，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時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變化，即剩余極化強度很大，這時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)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現(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)部存在有很強的剩余極化，當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起剩余極化強度的變化，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)生的由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機械能轉(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有兩個下標：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，會產(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。實際工作中，常使用相對介電常數(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的電荷輸出量（單位C/N）；負壓電效應(yīng)中，dij表示在單位電勢作用下產(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所產(chǎn)生的開路電壓，并定義為單位機械應(yīng)力所造成的電場強度。機械耦合系數(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（如機械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。15精選ppt16機械品質(zhì)因數(shù)：是表征壓電材料在諧振時機械損耗大小的物理量。壓電材料的組織結(jié)構(gòu)越致密，機械損耗越小，機械品質(zhì)因數(shù)就越大。介質(zhì)損耗：在單位時間內(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方向的長度之乘積。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，使它的諧振頻率達到所要求的數(shù)值。居里點溫度: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。具有良好的機械強度和壓電效應(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，僅減小5%，達到573℃時，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點。介電常數(shù)為4.5。（2）鈮酸鋰(LiNbO3)居里點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)，機械強度不如石英，且居里點較低（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(300℃以上)，各項機電參數(shù)隨溫度、時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)測量電路壓電式傳感器及其等效電路壓電器件相當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)，因此輸出信號很微弱，給后續(xù)測量電路提出很高的要求。由于傳感器的內(nèi)阻及后續(xù)測量電路輸入電阻Ri并非無限大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，造成測量誤差。電路放電時間常數(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量靜態(tài)或準靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器適宜做動態(tài)測量。

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

適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。串聯(lián)時，輸出電壓大、電容小、時間常數(shù)小。

適宜測量高頻信號和以電壓輸出的場合。25精選ppt26由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號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，對傳感器輸出的電壓或電荷信號進行放大處理，并實現(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、信號放大，將壓電傳感器輸出的弱信號進行放大。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，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)，當改變電纜長度或布線方法時，Usrm和Ku都會改變，從而導(dǎo)致測量誤差。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量靜態(tài)力。若被測量是準靜態(tài)量，必須增大測量回路時間常數(shù)，以維持ω2R2(Ca+Cc+Ci)2>>1，減少ω對Usrm和Ku的影響。顯然增加電容會降低靈敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低頻響應(yīng)越好。對動態(tài)測量，ω較大，易滿足ω2R2(Ca+Cc+Ci)2>>1，此時，Usrm和Ku近似與ω無關(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電纜對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，這樣彌補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高增益帶電容負反饋的運算放大器，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影響傳感器靈敏度及測量結(jié)果是電荷放大器的突出優(yōu)點。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。在電荷放大器的實際電路中，考慮到被測量的大小，以及后續(xù)放大電路不致因輸入信號太大而導(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。

由于采用電容負反饋，電荷放大器對直流工作點相當于開環(huán)，因此零點漂移較大。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電纜，而電壓放大器使用長電纜會影響傳感器的測量精度；電荷放大器電路復(fù)雜，價格昂貴，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)，選用時宜綜合考慮。

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

廣泛應(yīng)用于沖擊、振動及動態(tài)力的測量。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：

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，主要用于動態(tài)測量；應(yīng)用中要求采取嚴格的絕緣措施，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，基座與測試對象連接。利用壓電效應(yīng)，在加速度計受振動時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力（F=ma）也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則產(chǎn)生的電壓（或電荷）與被測加速度成正比。40精選ppt41剪切型壓電式加速度傳感器當傳感器受到振動時，質(zhì)量環(huán)由于慣性而有一個滯后，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，其電場方向垂直于極化方向。剪切式加速度計具有很高的靈敏度、很高的固有頻率和很寬的頻率響應(yīng)范圍，特別適用于測量高頻振動。所有，有替代壓縮型的趨勢。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）最簡便。材料選擇：決定于所測力的量值大小，對測量誤差提出的要求、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壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

45精選ppt46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警的高分子壓電踏腳板

48精選ppt49壓電式腳踏報警器

49精選ppt50玻璃打碎報警裝置

粘貼位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)。50精選ppt51隨著電纜電容的增加，壓電式加速度計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，其壓電片并聯(lián)時可提高（）。

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