第6章壓電傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第六章

壓電傳感器

2014－10－17

9/21/20231第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電式傳感器主要用途：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)（例如重量）的測(cè)量。

9/21/20232我們先來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍(lán)色閃光，這是強(qiáng)電場(chǎng)放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機(jī)理是晶體的壓電效應(yīng)小實(shí)驗(yàn)9/21/20233一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)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(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為：“壓電效應(yīng)”Q=dF9/21/20234某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)9/21/20235自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多，例如在敦煌的鳴沙丘上，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時(shí)，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子（SiO2晶體）在振動(dòng)壓力下，表面產(chǎn)生電荷，在某些時(shí)刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過空氣放電而發(fā)出聲音。在電子打火機(jī)中，多片串聯(lián)的壓電材料受到敲擊，產(chǎn)生很高的電壓，通過尖端放電，而點(diǎn)燃。與此相反，在音樂賀卡中是利用集成電路的輸出脈沖電壓，來激勵(lì)壓電片，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)聲的。小知識(shí)9/21/20236清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙的“雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細(xì)響語喁喁”?！Q沙山上的逆壓電效應(yīng)9/21/20237壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能壓電元件機(jī)械能電能9/21/20238壓電材料的主要特性參數(shù)有

壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性介電常數(shù)：壓電元件的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機(jī)械耦合系數(shù)：轉(zhuǎn)換輸出能量與輸入能量之比的平方根，是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄露，從而改善壓電傳感器的低頻特性居里點(diǎn)溫度：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度9/21/20239二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：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；第三類是高分子壓電材料。9/21/202310（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形9/21/202311天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

9/21/202312石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝9/21/202313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9/21/202314石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器，高準(zhǔn)確度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測(cè)量中，基本上采用壓電陶瓷。9/21/202315（二）壓電陶瓷壓電陶瓷利用其材料在機(jī)械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等，除了用于高科技領(lǐng)域，它更多的是在日常生活中為人們服務(wù)，為人們創(chuàng)造更美好的生活而努力9/21/202316壓電陶瓷的壓電機(jī)理與壓電晶體不同人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，他有一定的極化方向無電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性9/21/202317壓電陶瓷的壓電效應(yīng)施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)方向排列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體9/21/2023189/21/202319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9/21/202320晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系電荷密度：d33——壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)，d33比d11、d12大的多，壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高9/21/202321壓電陶瓷外形

9/21/202322無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

9/21/202323高分子壓電薄膜及拉制9/21/202324（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(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。9/21/202325高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

9/21/202326可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

9/21/202327壓電式腳踏報(bào)警器

9/21/202328高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）9/21/202329第二節(jié)壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很?。弘姾煞糯笃髂軐弘妭鞲衅鬏敵龅碾姾赊D(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。9/21/202330便攜式測(cè)振儀外形1－量程選擇開關(guān)SC2－壓電傳感器輸入信號(hào)插座

3－多路選擇開關(guān)4－帶寬選擇開關(guān)SR5－帶背光點(diǎn)陣液晶顯示器6－電池盒7－可變角度支架9/21/202331顯示波形的演示（振動(dòng)的時(shí)域/頻域圖形）

（東方研究所資料）不同頻率的正弦波頻譜變化9/21/202332上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器9/21/202333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