第六章-壓電傳感器-《自動檢測技術及應用(第2版)》課件

本章介紹壓電效應、逆壓電效應及應用、壓電元件、等效電路、電荷放大器、壓電傳感器的結構及應用，振動的基本概念、振動傳感器及振動頻譜分析等。

第六章壓電傳感器

7/23/202316.1壓電傳感器的工作原理6.2壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路6.3壓電傳感器的結構和應用6.4振動測量及頻譜分析第六章壓電傳感器目錄進入進入進入進入7/23/20232第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器的特點：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，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)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。

7/23/20233一、壓電效應天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。還有一些人造材料也具有壓電效應。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形。當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。7/23/20234石英晶體石英晶體的化學式為SiO2，它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成對出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以認為是正六邊形排列結構。在無外力作用時，硅離子所帶正電荷的等效中心與氧離子所帶負電荷的等效中心是重合的，整個晶胞不呈現(xiàn)帶電現(xiàn)象。7/23/20235天然石英晶體外形7/23/20236天然石英晶體外形（續(xù)）7/23/20237天然石英晶體的結構及剖面7/23/20238天然石英晶體的三個軸在晶體學中，可用三根相互垂直的軸來表示。其中縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應，沒有壓電效應。經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸；經(jīng)過正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機械軸，也稱y軸。7/23/20239天然石英晶體的三個面從石英晶體上切割出一塊平行六面體的切片，再進一步從該正六面體上切割出正方形薄片，就是工業(yè)中常用的石英晶片。正方形薄片的6個面分別垂直于光軸（z軸）、電軸（x軸）和機械軸（y軸）。7/23/202310石英晶體切片的三個面（續(xù)）在x面的兩個表面施加壓力，在x面的上下表面產(chǎn)生電荷；在x面的兩個表面施加壓力，仍然只在x面產(chǎn)生電荷。l、δ、b分別為石英晶片的長度、厚度和高度。電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側。7/23/202311石英晶體的特性石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好,在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化,如下兩圖。在20～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當?shù)?73℃時，它突然完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。

石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性7/23/202312石英晶體的切片7/23/202313石英晶體片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝7/23/202314天然石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較1.在晶體的彈性限度內(nèi)，在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產(chǎn)生的電荷為：Q=d11Fx式中的d11稱為壓電常數(shù)。2.在y軸方向施加壓力Fy時，仍然在x面上產(chǎn)生電荷：式中的l、δ為石英晶片的長度和厚度。7/23/202315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；當施加靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失。7/23/2023161－正電荷等效中心2－負電荷等效中心壓電效應的微觀分析

未受力時石英晶體的正負電荷中心重疊，

從宏觀上看，整體不帶電7/23/2023171－正電荷等效中心2－負電荷等效中心晶體沿x面受壓力時的帶電情況分析

石英晶體的正負電荷中心分離，宏觀上看，

x面的上表面帶正電，下表面帶負電Q=d11Fx7/23/2023181－正電荷等效中心2－負電荷等效中心晶片沿x面受拉力時，或是所受壓力消失后，彈性體反彈時，也能導致石英晶體的正負電荷中心分離,x面的上表面帶負電,下表面帶正電。

受交變力時，產(chǎn)生交變電信號。7/23/202319y面受壓力時的帶電情況等效于沿x軸方向施拉力的情況。但產(chǎn)生的電荷量可能比沿x軸方向施拉力時的電荷量大幾倍，視晶片的長度與寬度之比l/δ的倍數(shù)而不同。沿y面受壓力時,石英晶體的正負電荷中心也產(chǎn)生

分離,x面的上表面帶負電,下表面帶正電7/23/202320無論是沿x軸方向施加力，還是沿y軸方向施加力，電荷只產(chǎn)生在x面上。光軸（z軸）方向受力時，由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應。沿y面受拉力時,石英晶體的正負電荷中心也產(chǎn)生

分離,x面的上表面帶正電,下表面帶負電，

帶電的方向與x面受壓力時的情況相同7/23/202321交變外力作用在壓電元件上，可以產(chǎn)生交變的電荷Q，在上下鍍銀的表面上產(chǎn)生交變電壓。對壓電元件施加交變力，產(chǎn)生交變電荷產(chǎn)生的交變電荷的變化頻率與交變力的頻率相同，等效于交變電荷源。7/23/202322外力作用在壓電元件上，雖然可以產(chǎn)生電荷Q，但在上下鍍銀電極之間總是存在泄漏電阻Ra，電荷的保存時間通常小于幾秒,而且要求放大器的輸入電阻Ri無限大,因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。

壓電元件的等效電路

交變電荷源兩端并聯(lián)一個極間電容Ca和漏電電阻Ra。

極間電容Ca約為1000pF數(shù)量級，與壓電片的面積成正比；漏電電阻Ra應大于1MΩ。7/23/202323如果在壓電材料的兩個電極面上施加交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機械振動。即：壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，稱為“電致伸縮效應”，也叫做“逆壓電效應”。逆壓電效應7/23/202324實線代表未施加激勵電壓的形變前的狀態(tài)虛線代表在激勵源的正半周，壓電材料拉長形變后的狀態(tài)。在激勵源的負半周，壓電材料壓縮變形(未畫出)。逆壓電效應示意圖7/23/202325清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙“雷送余音聲裊裊，風生細響語喁喁”——鳴沙山上的逆壓電效應鳴沙丘7/23/202326煤氣灶壓電點火器另一種是利用壓電陶瓷制成的。使勁扭動打火按鈕，“撞擊塊”敲擊多塊串聯(lián)的壓電陶瓷，就能產(chǎn)生高電壓，形成電火花而點燃煤氣。壓電陶瓷還可以制成電子打火機，可使用100萬次以上。27煤氣灶上的點火器有兩種。一種為有源點火器，要依靠干電池逆變電路產(chǎn)生高壓電火花；7/23/202327壓電陶瓷變壓器壓電陶瓷變壓器是一塊具有不同極化方向的壓電陶瓷，同時利用正壓電效應和逆壓電效應來產(chǎn)生高電壓的器件。兩次能量轉(zhuǎn)換為：中頻電能激勵→機械振動能→中頻高壓電能。常用的是長條形單片Rosen型壓電陶瓷變壓器。壓電變壓器的左半部上下兩面有燒滲的銀電極，作為電壓輸入端，稱為驅(qū)動部分;右半部分的端頭燒滲銀電極，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。當一個交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時，在輸入端,沿厚度方向引起陶瓷體的收縮與拉伸，這種應變沿長度方向傳遞，使壓電變壓器沿長度方向產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓（正壓電效應），將機械能轉(zhuǎn)換為電能。由于長度是厚度的幾十倍，又由于縱駐波的加強效應，輸出電壓倍增。287/23/202328壓電陶瓷高壓變壓器電路壓電變壓器可用于電子警棍、負離子發(fā)生器、臭氧發(fā)生器、靜電噴漆、靜電除塵、靜電復印機、掃描電子顯微鏡等高壓發(fā)生裝置。297/23/202329二、壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料常用的有三類：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；第三類是經(jīng)過極化處理的高分子壓電材料。7/23/202330壓電材料的分類

.7/23/202331石英晶體的特性石英晶體在20～200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化量只有-0.0001/℃。還具有自振頻率高、動態(tài)響應好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復性好、線性范圍寬等優(yōu)點。石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。篸=2.3110-12C/N。因此石英晶體大多只在標準傳感器、高準確度傳感器或使用高溫壓電傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。7/23/202332石英晶體的等效電路L1為動態(tài)電感；C1為動態(tài)電容；R1為損耗電阻；C0為晶體的靜態(tài)電容。7/23/202333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。晶振石英晶體還可制作晶體振蕩器

（晶振）7/23/202334石英晶體的切片方向與穩(wěn)定性之間的關系必須嚴格控制晶片的切割角度。使在正常的工作溫度范圍內(nèi)，不至超過所要求的容許誤差。晶片在切割、拋光的連續(xù)加工過程中，都會因加工的準確度不同，導致一定的離散型，使溫度漂移變大，靈敏度不一致等。7/23/202335（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）。

7/23/202336壓電陶瓷外形

7/23/202337壓電陶瓷的工作原理壓電陶瓷是一種多晶壓電材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工藝條件下，經(jīng)1000℃以上高溫燒結、機械加工，可以制成圓片或其他需要的形狀。燒結而成的壓電陶瓷由無數(shù)細微的電疇組成，這些電疇實際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應,必須在高溫下，在上下端面鍍上電極，用上千伏高電壓進行極化處理，使電疇的方向趨向一致，冷卻后就具有壓電效應。7/23/202338壓電陶瓷的極化處理

a）極化處理前電疇雜亂分布b）在極化電壓下的電疇分布c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布1－鍍銀上電極2－壓電陶瓷3－鍍銀下電極4－電疇5－極化高壓電源↑－細微的電疇極化方向7/23/202339壓電陶瓷極化的影響因素極化電場和極化溫度越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。常用壓電陶瓷材料的極化溫度取320~420K，極化時間從幾分鐘到幾十分鐘。7/23/202340常用的壓電陶瓷材料（1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體。有較高的壓電常數(shù)[d＝（200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的鑭（La）、鈮（Nb）或銻（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。（2）非鉛系壓電陶瓷：能減少制造過程中鉛對環(huán)境的污染。BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷和鈦酸鋇鈣壓電陶瓷等，它們的多項性能都已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向。7/23/202341無鉛壓電陶瓷鋯鈦酸鋇鈣的壓電系數(shù)達到600pC/N，壓電性能已超過了世界上已使用半個世紀、但對人體和環(huán)境有害的核心壓電材料鋯鈦酸鉛陶瓷（250pC/N）。無鉛壓電陶瓷取代鉛基壓電陶瓷已成為必然的趨勢。7/23/202342壓電陶瓷與石英晶體的特性比較

.7/23/202343（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。7/23/202344（三）高分子壓電材料高分子壓電材料是一種柔性的壓電元件。密度僅為壓電陶瓷的1／4，彈性柔順常數(shù)比陶瓷大30倍?？梢栽趲资⒚椎腜VDF壓電膜上，兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度約0.1μm，再層壓在0.125mm聚酯基片上，并制作兩個壓接端子，作為信號引腳。高分子壓電材料的應用，從醫(yī)學上使用的精密微細敏感元件，到工業(yè)上用的各種傳感器；從軍事上應用的聲納，到民用的防盜報警系統(tǒng)等。可以用于制作超聲診斷儀、血壓計、指脈膊計、心率計、機器人的觸覺傳感器、加速度傳感器、水聲探測器、聲納器件、揚聲器等。7/23/202345高分子壓電材料的種類、加工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）、聚γ甲基L谷氨酸酯(PMLG)、聚碳酸酯(Pc)和尼龍11等，靈敏度比壓電陶瓷高十幾倍，輸出脈沖電壓可以直接驅(qū)動CMOS集成門電路。將PVDF樹脂加熱，用輥壓機壓制成膜或電纜套管。定向拉伸的溫度約為120℃，在拉伸薄膜的兩面蒸鍍金、銀等金屬電極，電極厚度為0.1μm。與壓電陶瓷類似，必須用高電壓進行極化處理。薄膜經(jīng)極化處理后，分子偶極子就趨向一致的方向，顯現(xiàn)出電壓特性。極化場強約5kV/mm，極化溫度為80~100℃，極化時間為30~60min。7/23/202346高分子壓電薄膜及拉制

、切片7/23/202347高分子壓電材料的特性不易破碎，具有防水性，可以制成較大面積或較長的成品，因此價格便宜。其測量動態(tài)范圍可達80dB，頻率響應范圍可從0.1Hz直至109Hz。工作溫度一般低于100℃。溫度升高時，靈敏度將降低。它的機械強度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。7/23/202348高分子壓電材料制作的

壓電墊和壓電電纜

7/23/202349可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

7/23/202350壓電式腳踏報警器

7/23/202351高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應）7/23/202352第二節(jié)壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

壓電傳感器的輸出阻抗較大，要求電壓放大器具有較大的輸入阻抗。又由于壓電傳感器的輸出電壓與壓電片的極間電容Ca以及傳輸線的對地分布電容Cc有關，如果接入普通的電壓放大電路，將受到很多外界因素的影響?，F(xiàn)在多采用“電荷放大器”來將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，屬于Q/U轉(zhuǎn)換器，但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。

回目錄7/23/202353壓電元件的極間電容壓電元件在承受沿敏感軸方向的外力作用時，將產(chǎn)生電荷，因此它相當于一個電荷源。當壓電元件表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，兩電極板間的電容Ca為式中A——壓電元件電極面積；

——壓電元件厚度；r——壓電材料的相對介電常數(shù)；0——真空介電常數(shù)。7/23/202354壓電元件的圖形符號及等效電路a）結構示意圖b）壓電元件的符號

c）壓電元件的等效電路1－鍍銀上電極2－壓電晶體3－鍍銀下電極7/23/202355壓電傳感器的輸出電壓與等效電容的關系如果壓電元件直接與放大器配套使用，除了極間電容，還應考慮到傳輸屏蔽電纜芯線對接地屏蔽層的分布電容Cc的影響。如果忽略Ra和放大器的輸入電阻Ri的影響，則有式中Ci——電壓放大器的輸入電容；Q——壓電元件輸出的電荷量。屏蔽電纜的對地分布電容大約為100pF/m。當屏蔽電纜較長時，Cc顯著增大，放大器的輸入電壓U

i將比壓電傳感器空載時的輸出U

o小很多，且不穩(wěn)定。7/23/202356壓電傳感器與二次儀表連接的等效電路Ci

、Ri為放大器的輸入電容和輸入電阻7/23/202357電荷放大器原理電荷放大器是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路。當放大器開環(huán)增益A和輸入電阻R

i、反饋電阻Rf（用于防止放大器的直流飽和）相當大時，放大器的輸出電壓Uo正比于輸入電荷Q，反比于反饋電容Cf，而基本上與Cc、Ca、Ci無關：7/23/202358電荷放大器1－壓電傳感器2－屏蔽電纜線3－傳輸線分布電容4－電荷放大器SC－靈敏度選擇開關SR－帶寬選擇開關Cf′－Cf

在放大器輸入端的密勒等效電容

Cf″－Cf在放大器輸出端的密勒等效電容7/23/202359電荷放大器基本電路7/23/202360電荷放大器原理分析反饋電容Cf

跨接在放大器的反相輸入端和輸出端之間。根據(jù)密勒等效定理，相當于在輸入端并聯(lián)了一個容量很大的等效電容Cf′。設運算放大器的開環(huán)增益數(shù)為Au，通常約為120dB，相當于106。Cf′=(1+Au)Cf，Cf的取值范圍多為100pF~

0.1μF。若Cf取最小值100pF，則等效電容Cf′約為100μF。輸入回路的總電容基本上由C

f＇決定C總=Ca

+Cc

+C

i+(1+Au)C

f7/23/202361電荷放大器的輸出電壓式中Q：壓電元件受動態(tài)力作用所產(chǎn)生的電荷有效值；Cf：并聯(lián)在放大器輸入端和輸出端之間的反饋電容當A足夠大時，則(1+A)C

f>>(Ca+Cc+Ci)，上式可化簡為由此可知,電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關,電纜引線電容等因素的影響可忽略不計。7/23/202362電荷放大器的實際電路框圖7/23/202363壓電傳感器與電荷放大器及

后續(xù)儀表的連接.7/23/202364反饋電容的選取當被測振動較小時，電荷放大器的反饋電容應取得小一些，可以取得較大的輸出電壓；為了進一步減少傳感器輸出電纜的分布電容對放大電路的影響，常將電荷放大器裝在傳感器內(nèi)，或緊靠在傳感器附近；為了防止因Cf長時間充電導致集成運放飽和，在Cf上并聯(lián)直流負反饋電阻Rf。改變反饋電容Cf的大小，，可以粗調(diào)靈敏度。Cf的調(diào)節(jié)范圍可以從100pF~100nF。1nF=1000pF廣義的機械靈敏度的分母用unit表示,取決于所用傳感器的機械單位。例如：加速度為g(或m/S2),壓力為kPa，動態(tài)力為N（牛）等。7/23/202365電荷放大器的高頻截止頻率電荷放大器的上限頻率由運放的頻率響應、電壓上升率、噪聲系數(shù)、線路的分布電容等決定。如果電纜線太長，電纜電容和雜散電容增加，都會導致放大器的高頻特性變差。若忽略運放的輸入電容和輸入電阻，則上限頻率為

式中Rk和Ck為電纜的等效電阻和等效電容，Cq為傳感器的等效電容。為提高信噪比，應選擇上限頻率為被測信號中最高頻率三倍以上的電荷放大器。7/23/202366反饋電阻的選取及低頻截止頻率Rf與Cf的乘積決定電荷放大器的下限頻率fL。當Cf

由靈敏度的要求確定后，Rf越大，電荷放大器的的低頻特性就越差。當被測電荷信號的頻率下降到fL時，電荷放大器的輸出電壓降低到中頻的時此時的低頻截止頻率fL=1/2πC

fR

f?？梢栽诿姘迳线x擇Rf

，M檔反饋電阻為1011Ω，L檔反饋電阻為1013Ω。

最大輸入電荷量可達10

6pC。當振動信號幅度大于±10Vp時,過載指示器的發(fā)光二極管亮,并觸發(fā)復位開關。7/23/202367電荷放大器的頻率特性

.|1/Cf|7/23/202368電荷放大器的頻率特性

.7/23/2023691）壓電元件的輸出電荷量Q的有效值為多少庫倫？2）被測振動力F的有效值為多少？3）電荷放大器的靈敏度KQ為多少mV/pC？4）該電荷放大器的下限截止頻率為多少赫？例

某壓電元件用于測量振動，靈敏度d11=100×10-12C/N，電荷放大器的反饋電容Cf=1000pF，Rf=10MΩ，測得A1的輸出電壓Uo=0.2V，求:7/23/2023704）下限頻率：解

1）壓電元件的輸出電荷量Q的有效值

Q=CfUo=(1000×10-12F×0.2V)=200pC2）被測振動力3）靈敏度7/23/202371四通道電荷放大器外形

.7/23/202372某電荷放大器的前后面板7/23/202373某電荷放大器指標靈敏度：0.1～1000mV/pC可調(diào)；頻率范圍：0.3～100kHz；

噪聲(最大增益時)：折合至輸入端小于5μV；

準確度：1%；最大輸出：±10V或10mA；

電

源：220V/50Hz；

控制方式：

計算機、遙控或手動。7/23/202374超小型電荷放大器模塊靈敏度：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：電容調(diào)整線性誤差：1%最大輸出：±5V或±10V電

源：±15V特點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)。主要性能指標:焊接式電荷放大器7/23/202375其他電荷放大器外形面板式電荷放大器7/23/202376多通道電荷放大器外形7/23/202377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3Hz，但在30kHz以上時，靈敏度下降）。

7/23/202378第三節(jié)壓電傳感器的結構及應用

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)。

粘貼位置回目錄7/23/202379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。7/23/202380

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。多通道測量系統(tǒng)的輸出波形7/23/2023811－銅芯線（分布電容內(nèi)電極）2－管狀高分子壓電塑料絕緣層3－銅網(wǎng)屏蔽層（分布電容外電極

）4－橡膠保護層（承壓彈性元件）高分子壓電電纜周界報警系統(tǒng)7/23/202382交通監(jiān)測

（包括軸數(shù)、軸距、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。將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息：7/23/202383高分子壓電電纜的應用演示7/23/202384集成脈搏傳感器采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過壓電薄膜轉(zhuǎn)換成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部的電荷放大電路轉(zhuǎn)換成輸出電壓。

其他應用：·脈搏計數(shù)探測·振動、沖擊、碰撞報警·振動加速度測量·管道壓力波動·其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等

7/23/202385二、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。

C并=2C，U并=U，Q并=2Q7/23/202386利用壓電傳感器實現(xiàn)

延時起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置7/23/2023871－剛性傳力上蓋2－壓電片3－電極4－電極引出插頭5－絕緣材料6－底座電荷Q的幅值與所受的動態(tài)力成正比，頻率與振動的頻率相同。依據(jù)電荷放大器的輸出uo的幅值和頻率，就可以測知動態(tài)力F：壓電式單向動態(tài)力傳感器7/23/202388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

一體化車刀動態(tài)力測量7/23/202389YDS-III79K型壓電石英

三維力傳感器特性指標項目數(shù)值z向測力范圍/kgf①±1000x、y向測力范圍/kgf±200分辨力/kgf±0.001z向靈敏度/pC/kgf±40x、y向靈敏度/pC/kgf±80剛度/kgf85固有頻率/kHz15～25非線性（%）±1橫向干擾（%）±5溫度系數(shù)/%℃－1-0.04使用溫度范圍/℃-60～120①工程中，1kgf

≈10.2N7/23/202390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7/23/202391第四節(jié)振動測量及頻譜分析

一、振動的基本概念物體在某一平衡位置附近所做的往復運動，稱為機械振動，簡稱為振動?；啬夸浵匆聶C機床風機夯實機7/23/202392地震的巨大威力7/23/202393地震波形7/23/202394物體圍繞平衡位置作往復運動稱為振動。從振動對象來分：有機械振動（例如機床、電機、泵風機等運行時的振動）；土木結構振動（房屋、橋梁等的振動）；運輸工具振動（汽車、飛機等的振動）以及地震、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物體振動一次所需的時間稱為周期,用T表示,單位是s。每秒振動的次數(shù)稱頻率，用f表示,單位為Hz。振動物體的位移用x表示，偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用Am表示，單位為mm；振動的速度用v表示，單位為m/s；加速度用a表示，單位為m/s2。振動幅值隨時間的變化得到的曲線，叫振動波形。振動的基本概念

7/23/202395振幅測振系統(tǒng)力學模型彈簧振子的簡諧振動ffff7/23/202396簡諧振動——最基本的、最簡單的周期振動。位移：x=Asin(ωt+φ)速度：

v=Aωsin(ωt+φ+π/2)加速度：a=Aω2sin(ωt+φ+π)位移、速度和加速度的關系：（1）都是同頻率的簡諧波；（2）三者的幅值依次為A、Aω、Aω2。（3）相位關系，加速度超前于速度90?，速度超前于位移90?。簡諧振動的三個基本參數(shù)

7/23/202397峰值=A

；峰峰值=2A

；有效值=0.707A

（峰值=1.414有效值）。平均值=0.636A

。簡諧振動的三個基本參數(shù)

正峰值A負峰值A有效值峰峰值7/23/202398二、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。介紹壓電式測振傳感器及其應用。7/23/202399a）原理圖b）中心壓縮式壓電加速度傳感器結構c）環(huán)形剪切式壓電加速度傳感器結構d）外形1－基座2－引出電極3－壓電晶片4－質(zhì)量塊5－彈簧6－殼體7－固定螺孔常用的壓電式振動加速度傳感器7/23/2023100（1）靈敏度K

壓電式加速度傳感器的輸出為電荷量，以pC為單位（1pC=10-12C）。而輸入量為加速度，單位為m/s2,所以靈敏度以pC/ms-2為單位,或用重力加速度pC/g。靈敏度的范圍約為10～100pC/g。目前許多壓電加速度傳感器的輸出是電壓，所以靈敏度單位也可以為mV/g，通常為10～1000mV/g。（2）頻率范圍常見的壓電加速度傳感器的頻率范圍為0.01Hz～20kHz。（3）動態(tài)范圍常用的測量范圍為0.1～100g，或1000m/s2。測量沖擊振動時應選用100～10000g的高頻加速度傳感器；而測量橋梁、地基等微弱振動往往要選擇0.001～10g的高靈敏度的低頻加速度傳感器。壓電振動加速度傳感器的性能指標7/23/2023101a）雙頭螺釘固定法b）磁鐵吸附法c）膠水粘結法d）手持探針式法1－壓電式加速度傳感器2－雙頭螺釘3－磁鋼4－粘結劑5－頂針壓電振動加速度傳感器的安裝及使用d）7/23/2023102壓電式振動加速度傳感器的結構及外形

橫向振動測振器縱向振動測振器7/23/20231031典型壓電式振動加速度傳感器的特性參數(shù)7/23/2023104某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”

性能指標靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點:15kHz

分辨力：0.0000g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%7/23/2023105壓電加速度傳感器的使用手持式測振儀7/23/2023106手持式壓電加速度傳感器聽診器7/23/20231071－量程選擇開關2－壓電傳感器輸入信號插座3－多路選擇開關4－帶寬選擇開關5－帶背光的點陣液晶頻譜顯示器6－電池盒7－可變角度支架便攜式測振儀外形及頻譜圖

7/23/2023108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。7/23/2023109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（例如10度以內(nèi)），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，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爆震，并適當延遲之。7/23/2023110爆震測量壓電陶瓷加速度傳感器7/2