第6章壓電傳感器

機械工業(yè)出版社

中等職業(yè)教育電氣類規(guī)劃教材

《自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》

第六章

壓電傳感器

2014－10－17

2/3/20231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，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。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)（例如重量）的測量。

2/3/20232我們先來看一個實驗。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，這是強電場放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機理是晶體的壓電效應(yīng)小實驗2/3/20233一、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，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=dF2/3/20234某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷當(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)2/3/20235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，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子（SiO2晶體）在振動壓力下，表面產(chǎn)生電荷，在某些時刻，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，來激勵壓電片，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動而發(fā)聲的。小知識2/3/20236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)2/3/20237壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機械能轉(zhuǎn)化成電能也可以將電能轉(zhuǎn)化成機械能壓電元件機械能電能2/3/20238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溫度：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度2/3/20239二、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。2/3/202310（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形2/3/202311天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2/3/202312石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2/3/202313石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時，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2/3/202314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，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。2/3/202315（二）壓電陶瓷壓電陶瓷利用其材料在機械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號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2/3/202316壓電陶瓷的壓電機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作用時，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性2/3/202317壓電陶瓷的壓電效應(yīng)施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向外電場方向排列。外電場強度達(dá)到飽和程度時，所有的電疇與外電場一致。外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時是非壓電體2/3/2023182/3/202319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)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現(xiàn)極性2/3/202320晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時，引起剩余極化強度變化，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2/3/202321壓電陶瓷外形

2/3/202322無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2/3/202323高分子壓電薄膜及拉制

2/3/202324（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的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。2/3/202325高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2/3/202326可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

2/3/202327壓電式腳踏報警器

2/3/202328高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）2/3/202329第二節(jié)壓電傳感器的測量轉(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。2/3/202330便攜式測振儀外形1－量程選擇開關(guān)SC2－壓電傳感器輸入信號插座

3－多路選擇開關(guān)

4－帶寬選擇開關(guān)SR5－帶背光點陣液晶顯示器6－電池盒7－可變角度支架2/3/202331顯示波形的演示（振動的時域/頻域圖形）

（東方研究所資料）不同頻率的正弦波頻譜變化2/3/202332上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動和噪聲技術(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：

計算機或手動焊接式電荷放大器2/3/202333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

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點：可組成經(jīng)濟的多點測試系統(tǒng)主要指標(biāo):2/3/202334其他電荷放大器外形面板式電荷放大器2/3/202335多通道電荷放大器外形2/3/202336第三節(jié)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2/3/202337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(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。

使用時，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，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。2/3/202338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，因此壓電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，所以壓電傳感器只適用于動態(tài)測量。動態(tài)頻率必須高于100Hz，但在30kHz以上時，靈敏度急劇下降。小貼士2/3/202339

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）將長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。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。2/3/2023403.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：2/3/202341高分子壓電電纜的應(yīng)用演示2/3/202342二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)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(jié)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。

2/3/202343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2/3/202344壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力2/3/202345第四節(jié)振動的測量

物體圍繞平衡位置作往復(fù)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(fēng)機等運行時的振動）；土木結(jié)構(gòu)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。頻率是分析振動的最重要內(nèi)容之一。振動物體偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用x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或g。知識沙龍2/3/202346地震的巨大威力2/3/202347地震波形2/3/202348二、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。下面介紹壓電式測振傳感器及其應(yīng)用。2/3/202349三、壓電式振動加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形

橫向振動測振器縱向振動測振器2/3/202350四、壓電振動加速度傳感器的性能指標(biāo)（以某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”為例）

技術(shù)指標(biāo)：

靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點:15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%2/3/202351如何選擇壓電傳感器靈敏度低的傳感器可用于動態(tài)范圍很寬的振動測量，例如打樁機的沖擊振動、汽車的撞擊試驗、炸彈的貫穿延時引爆等。而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。例如用于尋找地下管道的泄漏點（水管漏水處可發(fā)出幾千赫的特殊振動），或測量