壓電式傳感器 (2)課件

第6章壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理某種介質(zhì)材料受力作用變形時(shí)，其表面產(chǎn)生電荷（壓電效應(yīng)），從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。它是一種有源傳感器。特點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大：壓電式傳感器可用于動(dòng)態(tài)力、壓力、速度、機(jī)械沖擊與振動(dòng)等許多非電量的測量，廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、土木、機(jī)械、軍工、宇航等等領(lǐng)域?！贿m用于靜態(tài)參數(shù)的測量※1880年居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)1/16/20231一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：

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利用電介質(zhì)受力變形，內(nèi)部產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，產(chǎn)生電荷★去掉外力后，電荷消失，狀態(tài)復(fù)原★

作用力相反，電荷極性也發(fā)生變化逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時(shí)，這些電介質(zhì)發(fā)生形變。壓電元件機(jī)械量電量1/16/20232壓電晶體壓電陶瓷高分子材料石英晶體（SiO2）鈦酸鋇（BaTiO3）鋯鈦酸鉛（PZT）聚偏二氟乙烯（PVDF）二、壓電材料復(fù)合壓電材料1/16/20233天然形成的石英晶體外形1、石英晶體1/16/20235天然形成的石英晶體外形1/16/20236石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝1/16/20237縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)無壓電效應(yīng)壓電系數(shù)光軸電軸機(jī)械軸電荷Qx和Qy的符號(hào)由受拉力還是受壓力決定1/16/20239正常情況下石英體中正負(fù)電荷處于平衡，外部呈中性。不受力yx晶體在x方向受力晶體在y方向受力正負(fù)電荷產(chǎn)生移動(dòng)，出現(xiàn)帶電現(xiàn)象。FyFyFxFx石英晶體壓電模型yx1/16/202310P1P2P3當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí),正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖所示。xy石英晶體壓電模型1/16/202311P1P2P3此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合,電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零xy石英晶體壓電模型1/16/202313P1P2P3------++++++xy石英晶體壓電模型在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷。1/16/202314P1P2P3xy石英晶體壓電模型------------

++++++++++++1/16/202315P1P2P3xy石英晶體壓電模型-----+++++1/16/202317P1P2P3---------++++++++xyP1增大,P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。石英晶體壓電模型1/16/202318當(dāng)作用力Fx、Fy的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同。當(dāng)動(dòng)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。如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體壓電模型1/16/202319壓電陶瓷及其換能器外形

1/16/202321無鉛壓電陶瓷及其換能器外形1/16/202322壓電陶瓷—極化處理后的人工多晶鐵電體極化前電疇無序排列極化時(shí)電疇有序排列極化后電疇基本有序1/16/202323當(dāng)陶瓷材料（剩余極化很強(qiáng)）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。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系:q=d33F式中:d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù);F——作用力。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：1/16/202325壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān),它的參數(shù)也隨時(shí)間變化,從而使其壓電特性減弱。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛,它是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成，有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。1/16/2023263、新型壓電材料——壓電聚合物PVDFPVDF是一種有機(jī)高分子物性型敏感材料，其名稱為聚偏二氟乙烯。1969年由日本學(xué)者Kawai首先發(fā)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的壓電特性。與微電子技術(shù)結(jié)合，能夠制成多功能傳感元件；與壓電陶瓷結(jié)合，開拓了復(fù)合材料的新領(lǐng)域。應(yīng)用：電聲器件，可進(jìn)行壓力、加速度、溫度、水聲探測等應(yīng)用，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度；韌性及加工性能好；聲阻抗與人體肌肉接近；頻帶寬；機(jī)械強(qiáng)度高；化學(xué)特性穩(wěn)定。1/16/202327三、壓電式傳感器1、概述壓電式傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)施加力作用在壓電材料上，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。電荷在無泄漏條件下才能保持，即需要測量回路需要無限大的輸入阻抗，但無法實(shí)現(xiàn)，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。只有在交變力的作用下，電荷才可以得到不斷補(bǔ)充，供給測量回路能量，故適于動(dòng)態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）

。1/16/2023292、等效電路e—壓電陶瓷或石英晶體的介電常數(shù)A—極板面積d—壓電元件厚度壓電式傳感器從功能上講，是一個(gè)電荷發(fā)生器；從性質(zhì)上講，又是一個(gè)有源電容器（晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于介質(zhì)），則其電容量為：1/16/202330當(dāng)受外力作用時(shí)，產(chǎn)生電荷Q電荷等效：Q＝CaUa電壓等效：1/16/202331實(shí)際使用中，還需要考慮連接電纜的等效電容Ce、放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。實(shí)際等效電路如圖所示:1/16/2023323、壓電元件的連接多片壓電元件的組合單片壓電元件產(chǎn)生電荷量甚微，為提高壓電傳感器輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片或以上同型號(hào)壓電元件粘貼組合。因此，考慮電荷的極性因素，其連接法分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。1/16/202333＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－1）串聯(lián)

串聯(lián)使壓電傳感器時(shí)間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，適合于電壓輸出、高頻信號(hào)測量場合。2）并聯(lián)

并聯(lián)使壓電傳感器時(shí)間常數(shù)增大，電荷靈敏度增大，適合于電荷輸出、低頻信號(hào)測量場合。＋＋＋＋－－－－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－1/16/2023344、壓電元件的分類按受力和形變方式在測量低壓力時(shí)，由于力傳遞系數(shù)非線性（低壓力下力的損失較大）存在，導(dǎo)致壓電式傳感器線性度不好。為此，在測量時(shí)需要加入預(yù)加力——預(yù)載。這樣，不僅消除壓力使用中的非線性外，還可消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。在測量拉力、拉－壓交變力及剪力和扭矩時(shí)必須給壓電傳感器施加預(yù)載。厚度變形

長度變形

體積變形

厚度剪切變形

5、預(yù)載1/16/202335四、測量電路

壓電傳感器自身內(nèi)阻抗很高，且輸出能量較小，因此測量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。其作用為：①將傳感器高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗；②放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。1/16/2023361、電壓放大器——阻抗變換器圖中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ce+Ci，Ua=q/Ca1/16/202337當(dāng)受正弦力f＝Fmsinωt作用時(shí)：壓電元件輸出電壓：放大器輸入端電壓為：放大器輸入端電壓幅值為：1/16/202338理想情況下，傳感器電阻Ra和放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Ce+Ci)R>>1，此時(shí)輸入電壓幅值Uim為：放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)ω/ω0>3時(shí)，就可認(rèn)為以上式成立。注意：壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量；壓電傳感器與前置放大器間連接電纜不能隨意更換。1/16/2023392、電荷放大器圖中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca由于運(yùn)算放大器輸入阻抗高，輸入端幾乎沒有分流，故可略去R。1/16/202340根據(jù)運(yùn)算放大器的基本特性，可求出電荷放大器得輸出電壓：通常A=104~108，當(dāng)有（1＋A）Cf>>Ca+Ce+Ci時(shí)，上式變?yōu)椋弘姾煞糯笃鞯妮敵鲭妷篣o只與輸入電荷q（成正比）和反饋電容Cf（100～104pF）有關(guān)，而與電纜電容Ce無關(guān)

1/16/202341石英晶體振蕩器、壓力傳感器、超聲換能器廣泛用于通訊（衛(wèi)星接收、對(duì)講機(jī)、電話機(jī)等）、家電（TV/VCD/DVD等）、電腦、汽車電子、電子游戲機(jī)等領(lǐng)域五、應(yīng)用1/16/202342壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量

1/16/202343壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力1/16/202344高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭1/16/202345可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

1/16/202346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(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)。

粘貼位置玻璃打碎報(bào)警裝置1/16/202347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(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(dòng)，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(hào)。1/16/202348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(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。1/16/202349交通監(jiān)測

將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(fèi)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(jī)場滑行道等。1/16/202350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

1/16/202351汽車爆震波形汽車發(fā)動(dòng)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(huì)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。1/16/202352汽車爆震測量安裝在氣缸的側(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(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。1/16/202353

地震是引發(fā)海嘯的主要原因之一。地震中斷層移動(dòng)導(dǎo)致斷層間產(chǎn)生空洞，當(dāng)海水填充這個(gè)空洞時(shí)產(chǎn)生巨大的海水波動(dòng)。這種海水波動(dòng)從深海傳至淺海時(shí)，海浪陡然升到十幾米高，并以每秒數(shù)百米的速度傳播。海浪沖到岸上后，將造成重大破壞。海嘯預(yù)警系統(tǒng)通過海底的振動(dòng)壓力傳感器記錄海浪變化的數(shù)據(jù)，并傳送到信息浮標(biāo)，由信息浮標(biāo)發(fā)送到氣象衛(wèi)星，再從