傳感器知識(shí) 第6章 壓電式傳感器1學(xué)習(xí)資料

第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)及壓電材料

6.2壓電式傳感器測(cè)量電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用本章知識(shí)要點(diǎn)正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的含義。壓電式傳感器的工作原理。壓電式傳感器的測(cè)量電路。一、壓電效應(yīng)1、正壓電效應(yīng)沿著一定方向?qū)δ畴娊橘|(zhì)施力而使它變形時(shí)，在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱(chēng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。6.1壓電效應(yīng)及壓電材料

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。石英晶體的壓電效應(yīng)演示壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機(jī)械能逆壓電效應(yīng)2、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮）當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料。有哪些？

自然界的大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，如石英晶體，還有人造晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。

分類(lèi)：壓電晶體、壓電陶瓷和高分子材料。

二、壓電材料簡(jiǎn)介壓電常數(shù)彈性系數(shù)介電常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)電阻居里點(diǎn)

壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有電容、頻率下限

機(jī)電轉(zhuǎn)換效率泄漏電荷、改善低頻特性喪失壓電性的溫度性能參數(shù)壓電材料的特性參數(shù)

選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：轉(zhuǎn)換性能機(jī)械性能電性能溫度、濕度穩(wěn)定性好時(shí)間穩(wěn)定性壓電材料的選取天然形成的石英晶體外形6.1.1石英晶體

天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

圖6-2石英晶體(b)切割方向；(c)晶片石英晶體化學(xué)式為SiO2電軸機(jī)械軸光軸橫向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)fxfy無(wú)壓電效應(yīng)正六面體ｙxｚＺ光軸Ｘ電軸機(jī)械軸坐標(biāo)軸石英晶體的壓電效應(yīng)：硅離子氧離子石英晶體在X-Y平面離子分布X方向受壓力Y方向受壓力X方向受壓力或Y方向受拉力X方向受拉力或Y方向受壓力Z方向受拉力或壓力fxfy式中,d11為x方向受力的壓電系數(shù)。沿電軸x方向施加作用力fx，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷qx

：沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy：式中：d12——y軸方向受力的壓電系數(shù),根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，有d12=-d11；

a、b——晶體切片的長(zhǎng)度和厚度。與尺寸無(wú)關(guān)與尺寸有關(guān)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)，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。晶振未極化前：不具壓電性撤銷(xiāo)外電場(chǎng)加外強(qiáng)電場(chǎng)E

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，各電疇具有一定的極化方向。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，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，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。6.1.2壓電陶瓷

機(jī)械能

電能正壓電效應(yīng)：壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)FF加力F放電現(xiàn)象式中：

d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)大，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，但是穩(wěn)定性差。

鈦酸鋇（BaTiO3）：它是最早的壓電陶瓷材料，由碳酸鋇和二氧化鈦按1∶1摩爾分子比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過(guò)70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。

鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點(diǎn)在300℃以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。

鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛 、鋯酸鉛（PbZrO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。壓電陶瓷外形

高分子壓電材料

高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶聚合物，其壓電效應(yīng)較復(fù)雜。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。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報(bào)警器

常用壓電材料6.1.3壓電式傳感器

工作原理壓電效應(yīng)壓電式傳感器靜態(tài)測(cè)量?動(dòng)態(tài)測(cè)量無(wú)法存儲(chǔ)電荷電荷量甚微，中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。金屬電極并聯(lián)串聯(lián)（1）并聯(lián)：（2）串聯(lián)：電容大，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)。電容小，輸出電壓大，適宜用于以電壓輸出，并且輸入阻抗很高的場(chǎng)合。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-并聯(lián)Q’=nQU’=UC’=nC串聯(lián)Q’=QU’=nUC’=C/n(a)厚度變形;(b)長(zhǎng)度變形；(c)體積變形；(d)面切變形；(e)剪切變形壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式。6.2壓電式傳感器測(cè)量電路6.2.1壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器和一個(gè)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)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為

式中：A——壓電片的面積；

d——壓電片的厚度；

εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。Ua——電容器上的電壓

q——電荷量Ca——電容量壓電元件的等效電路壓電傳感器在實(shí)際測(cè)量中，要與放大器及測(cè)量電路相連，此時(shí)的等效電路Cc——電纜的等效電容Ri——放大器的輸入電阻Ci———輸入電容Ra——壓電傳感器的泄漏電阻電壓源壓電元件電壓放大器電纜電荷壓電元件電荷放大器電纜6.2.2壓電式傳感器的測(cè)量電路前置放大器的作用：

（1）阻抗轉(zhuǎn)換（2）放大1.電壓放大器（阻抗變換器）R=RaRi/(Ra+Ri)C=Cc+Ci

ua=q/Ca電壓放大器電荷放大器壓電元件受力f=Fm

sinωt則式中：

Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca

d——壓電系數(shù)。前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓幅值：輸入電壓與作用力間的相位差：ωR

(Ca+Cc+Ci)>>1時(shí)時(shí)間常數(shù)壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)2、電荷放大器靈敏度與電纜電容無(wú)關(guān)上限下限6.3壓電式傳感器的應(yīng)用6.3.1壓電式測(cè)力傳感器壓電式單向測(cè)力傳感器主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。

傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1~0.5mm，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。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測(cè)力范圍為0~50N，最小分辨率為0.01N，固有頻率為50~60kHz，整個(gè)傳感器重為10g。6.3.2壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。

當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即F=ma式中：F——質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；

m——質(zhì)量塊的質(zhì)量；

a——加速度。

此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11ma與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。補(bǔ)充壓電傳感器的應(yīng)用

一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(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(xiàn)。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)。壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。

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(chē)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。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(chē)型分類(lèi)信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車(chē)速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)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。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(chē)速及汽車(chē)的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部