第二章 壓力檢測(cè)—壓電傳感器

1、第三節(jié)第三節(jié) 壓壓 電電 傳傳 感感 器器 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 彈性常數(shù)（剛度）彈性常數(shù)（剛度） 介電常數(shù)介電常數(shù) 機(jī)電耦合系數(shù)機(jī)電耦合系數(shù) 電阻電阻 居里點(diǎn)居里點(diǎn) 壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度壓電效應(yīng)強(qiáng)弱：靈敏度 固有頻率、動(dòng)態(tài)特性固有頻率、動(dòng)態(tài)特性 固有電容、頻率下限固有電容、頻率下限 機(jī)電轉(zhuǎn)換效率機(jī)電轉(zhuǎn)換效率 泄漏電荷、改善低頻特性泄漏電荷、改善低頻特性 喪失壓電性的溫度喪失壓電性的溫度 一一 、工作原理、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

2、面 產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)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)的測(cè)量。動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。 壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪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)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可 靠性、穩(wěn)定性高?？啃?、穩(wěn)定性高。 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng) 天然結(jié)構(gòu)的

3、石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石天然結(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，電荷時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所與所 施加的力施加的力F成正比成正比 ，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng) 。還有。還有 一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。 若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就 會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變 形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為

4、逆壓電效應(yīng)（電致伸縮形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮 效應(yīng)）。效應(yīng)）。 石英晶體的壓電效應(yīng)演示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)，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。電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。 2、壓電材料的分類及特性、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：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）；一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）； 另一

5、類是另一類是 經(jīng)過極化處理的經(jīng)過極化處理的 壓電陶瓷；壓電陶瓷； 第三類是高分子壓電材料。第三類是高分子壓電材料。 石英晶體石英晶體 天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形 天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形 石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝 石英晶體薄片石英晶體薄片 雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝 石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電石英晶體在振蕩電 路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)路中工作時(shí)，壓電效應(yīng) 與逆壓電效應(yīng)交替作用，與逆壓電效應(yīng)交替作用， 從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸 出頻率。出頻率。 晶振晶振 壓壓 電電 陶陶 瓷瓷 壓電陶瓷是人工制造

6、的多晶壓電材料，它比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，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 電陶瓷電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電 陶瓷（陶瓷（PZT）及）及非鉛系壓電陶瓷非鉛系壓電陶瓷 （如（如BaTiO3等）。等）。 壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）上海硅酸鹽研究所研制） 高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 高分

7、子壓電材料高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚 氯乙烯（氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，）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(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍大面積或較長的尺度，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)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

8、和電纜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)警器壓電式腳踏報(bào)警器 高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭 （逆壓電效應(yīng)）（逆壓電效應(yīng)） 二、二、 壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路壓電傳感器的測(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)，電纜長度等因素的影響很?。弘娙萦嘘P(guān)，電纜長度等因素的影響很小： o f 6-4 Q u C 電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn) 換為電壓（換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放

9、大電荷的轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的 作用，只是一種習(xí)慣叫法。作用，只是一種習(xí)慣叫法。 四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形 . 超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊 主要指標(biāo)主要指標(biāo): 靈靈 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選一檔) 頻率范圍：頻率范圍：0.3100KHz(上、下限可選上、下限可選) 噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV 歸歸 一一 化：外接電阻調(diào)整化：外接電阻調(diào)整 線性誤差：線性誤差：1% 最大輸出：最大輸出：5V或或10V 電電 源：源：6V15V 特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng) 其他電荷放

10、大器外形其他電荷放大器外形 面板式電荷放大器面板式電荷放大器 三、三、 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量！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(cè)量回路具有無無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無 限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電限大的輸入阻抗，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)量回路以作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)

11、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，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。以上時(shí)，靈敏度下降）。 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 Fdq11 SPF 電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu) 預(yù)緊力預(yù)緊力 壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用 壓電式步態(tài)分壓電式步態(tài)分 析跑臺(tái)析跑臺(tái) 壓電式縱跳壓電式縱跳 訓(xùn)訓(xùn) 練分析裝置練分析裝置 壓電傳感器測(cè)量壓電傳感器測(cè)量 雙腿跳的動(dòng)態(tài)力雙腿跳的動(dòng)態(tài)力 高分子壓電材料的應(yīng)用高分子壓電材料的應(yīng)用 玻璃打碎報(bào)警裝置玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電測(cè)振將高分子壓電

12、測(cè)振 薄膜粘貼在玻璃上，薄膜粘貼在玻璃上， 可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎 時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并 將電壓信號(hào)傳送給集將電壓信號(hào)傳送給集 中報(bào)警系統(tǒng)。中報(bào)警系統(tǒng)。 粘貼粘貼 位置位置 高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器 質(zhì)量塊質(zhì)量塊 將厚約將厚約0.2mm左右的左右的PVDF 薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小。在它大小。在它 的正反兩面各噴涂透明的二氧化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)兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù) 膜覆蓋。膜覆蓋。 使用時(shí)，用瞬干膠將其

13、粘使用時(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的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振 動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷動(dòng)，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個(gè)，在兩個(gè) 輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信 號(hào)。號(hào)。 交通監(jiān)測(cè)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（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)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?？兀┘皺C(jī)場滑行道等。 高分子壓電電纜高分子壓電電纜 的應(yīng)用演示的應(yīng)用演示 將兩根高分子壓電電纜相距將兩根高分子壓電電纜相距若干米若干米，平行埋設(shè)于柏油公，平行埋設(shè)于柏油公 路的路面下約路的路面下約5cm，可以用來測(cè)量車速及汽車的載重量，并根，可以用來測(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。據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部