壓電傳感器（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)8.1霍爾傳感器任務(wù)8.2壓電傳感器項(xiàng)目8其他類型的傳感器任務(wù)8.3超聲波傳感器任務(wù)8.4光纖、紅外、激光傳感器8.2壓電傳感器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)測(cè)量非電量的目的。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。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。歷史沿革1903年居里兄弟皮埃爾與杰克斯發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，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。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(guò)極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。石英晶體天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，正壓電效應(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。石英的化學(xué)式為SiO2，在一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，后者是成對(duì)的，所以一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。當(dāng)沒(méi)有力作用時(shí)，硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如圖a示。這時(shí)正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。－－－－－－石英晶體的壓電效應(yīng)如果沿X方向壓縮，如圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結(jié)果表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。若沿Y方向壓縮，如圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時(shí)稱為橫向壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長(zhǎng)而不是壓縮時(shí)，則電荷的極性正好相反?？傊⒌葐尉w材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時(shí)，在與X軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)方向與X軸平行，在Z軸方向施力時(shí)，不能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)式中，Q為電荷[量]；d為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；f為作用力。Q=dfyxzO石英晶體的壓電效應(yīng)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(guó)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鈦酸鋇等）。壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無(wú)規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)，壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應(yīng)。當(dāng)在一定的溫度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場(chǎng)使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場(chǎng)去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化。

a)極化前

b)極化

c)極化后壓電陶瓷的極化過(guò)程壓電陶瓷外形

經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷，在外電場(chǎng)去掉后，其內(nèi)部仍存在著很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，因此剩余極化強(qiáng)度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。壓電陶瓷的壓電效應(yīng)超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能器用晶片壓電陶瓷的壓電效應(yīng)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。高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

壓電式腳踏報(bào)警器高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片或兩片以上同型號(hào)的壓電元件黏結(jié)在一起。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓為輸出量及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合；并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測(cè)量緩變信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場(chǎng)合。壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)接法壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電傳感器的等效電路壓電元件受力作用時(shí)產(chǎn)生電荷，因此它可以等效為一個(gè)電容器，所以壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷Ｑ，壓電元件產(chǎn)生開(kāi)路電壓Ｕ。壓電元件的等效電路a）結(jié)構(gòu)圖 b）等效電荷源 c）等效電壓源壓電元件的等效電路壓電傳感器的等效電路(a)等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個(gè)電源U=Q/Ca

和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路測(cè)量電路前置放大器的作用：一是放大壓電元件的微弱信號(hào)；二是高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥弘妭鞲衅鳟a(chǎn)生的電荷很少，信號(hào)微弱，而自身又要有極高的絕緣電阻，因此需經(jīng)測(cè)量電路進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大，且要求測(cè)量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分布電容，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測(cè)量誤差。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移。當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。測(cè)量壓力它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)?？梢杂脕?lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。壓力式力傳感器和測(cè)力錘它利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，將“力”轉(zhuǎn)換成“電荷”，并通過(guò)二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓，具有氣密性好、硬度高、剛度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)?？梢詼y(cè)量動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力和沖擊力。壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器特性傳感器上蓋為傳力元件。當(dāng)外力作用時(shí),它將產(chǎn)生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。2）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(zhǎng)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(tīng)音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行,對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。1）行駛中稱重：其主要用途是高速公路車輛超重超載監(jiān)測(cè)的預(yù)選和橋梁超載警告系統(tǒng)，既判斷正在高速行駛中的車輛，尤其是駛過(guò)橋梁的車輛是否超載，由視頻系統(tǒng)拍下車牌號(hào)記錄在案，并根據(jù)超載量罰款。壓電傳感器的應(yīng)用3）交通監(jiān)測(cè)

將高分子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(cè)、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(chǎng)滑行道等。壓電傳感器的應(yīng)用高分子壓電電纜的應(yīng)用演示將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來(lái)測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器A時(shí)，啟動(dòng)電子時(shí)鐘，當(dāng)輪胎經(jīng)過(guò)傳感器B時(shí)，時(shí)鐘停止。兩個(gè)傳感器之間的距離一般是3米，或比3米短一些(可根據(jù)需要確定)。傳感器之間的距離已知，將兩個(gè)傳感器之間的距離除以兩個(gè)傳感器信號(hào)的時(shí)間周期，就可得出車速。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)。粘貼位置壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm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)。PVDF壓電薄膜是一