專題4壓電效應(yīng)與壓電傳感器典型應(yīng)用

2023/2/61專題4壓電效應(yīng)與壓電傳感器典型應(yīng)用2023/2/62

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)非電量電測的目的。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(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)的測量。

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、可靠性、穩(wěn)定性高。

2023/2/631.壓電效應(yīng)（80頁）外力沿壓電材料特定晶向作用使晶體變形，使得相對(duì)的晶面上產(chǎn)生電荷，去掉外力后壓電材料又重回不帶電狀態(tài)，這種由外力作用產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可逆，在壓電材料特定晶向施加電場時(shí)，不僅有極化現(xiàn)象發(fā)生，還產(chǎn)生機(jī)械形變；去掉電場，應(yīng)力和形變也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外力F沿特定方向作用壓電晶體時(shí)，在相對(duì)晶面上產(chǎn)生電荷Q，兩者的關(guān)系可表示為Q=dF式中，d為壓電常數(shù)，反映外力與其產(chǎn)生電荷的比例關(guān)系，表征壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱程度。2023/2/64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。2023/2/652.壓電材料的分類及特性（81頁）

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。2023/2/66（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形2023/2/67天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2023/2/68石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2023/2/69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2023/2/610（二）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等）。2023/2/611壓電陶瓷外形

2023/2/612無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2023/2/613高分子壓電薄膜及拉制2023/2/614（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(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。2023/2/615高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2023/2/616可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

2023/2/617壓電式腳踏報(bào)警器

2023/2/618高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）2023/2/6191)壓電元件在壓電材料垂直于極化方向的表面（其上呈現(xiàn)電荷）鍍上金屬電極、接上引線即可構(gòu)成壓電元件。2)等效電路壓電元件可視為電荷發(fā)生器。壓電元件受外力作用時(shí)在垂直于電軸或垂直于極化方向的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生電荷，一個(gè)面上聚集正電荷，另一個(gè)面上為等量負(fù)電荷。當(dāng)壓電元件兩表面聚集電荷時(shí)它是電容器，其電容量為

Ca=s/t=r0s/t

式中，s為電容器極板面積(m2)；t為壓電元件厚度(m)；為壓電材料的介電常數(shù)（F/m）；r為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；0為真空中的介電常數(shù)，0=8.85×10－12F/m；Ca為壓電傳感器的內(nèi)部電容（F）。3.壓電元件的等效電路和測量轉(zhuǎn)換電路

（81到83頁）2023/2/6202)等效電路壓電元件可等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)電路。電容器上的電壓ua（開路電壓）、電荷q與電容Ca三者存在關(guān)系：ua=q/Ca，因此，壓電元件也可等效為一個(gè)電壓源與一個(gè)電容串聯(lián)的等效電路，考慮壓電傳感器的泄漏電阻時(shí)，電路如圖所示。2023/2/6213）測量電路壓電元件輸出信號(hào)非常微弱，需放大才能實(shí)現(xiàn)測量。但壓電元件內(nèi)阻抗相當(dāng)高，難以直接使用一般放大器放大。除阻抗匹配問題外，連接電纜長度、噪聲都是突出問題。一般都需前置放大，這種電壓前置放大器也稱為阻抗變換器。壓電元件前置放大器的兩種形式：電壓放大器，輸出正比于輸入（即壓電元件輸出的電壓）；電荷放大器，輸出電壓正比于輸入電荷。2023/2/622

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?。?/p>

電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(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。2023/2/6233）測量電路兩種前置放大器的主要區(qū)別：使用電壓放大器時(shí)，整個(gè)測量系統(tǒng)對(duì)電纜電容變化非常敏感，尤其是對(duì)連接電纜長度的變化，適用于快變信號(hào)；使用電荷放大器時(shí)，電纜長度變化的影響可忽略，適用于慢變信號(hào)。電壓和電荷放大器連接的等效電路如下。2023/2/6242023/2/625四通道電荷放大器外形.2023/2/626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2023/2/627超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

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(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測試系統(tǒng)2023/2/628其他電荷放大器外形面板式電荷放大器2023/2/629其他電荷放大器外形（續(xù)）2023/2/6304.壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)1）壓電式壓力傳感器使用目的不同，壓電式傳感器形式不同，但基本原理相同。圖示壓電式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)組成：引線+殼體+基座+壓電晶片+受壓膜片+導(dǎo)電片等膜片受力F作用時(shí)，壓電晶片上產(chǎn)生電荷。每一個(gè)壓電片上產(chǎn)生的電荷為：q=d11F=d11SP式中，d11為壓電系數(shù)；F為作用在壓電晶片上的力；S為有效膜片面積；P為壓強(qiáng)，P=F/S。如果傳感器只由一個(gè)壓電晶片構(gòu)成，則電荷靈敏度kq=q/P，電壓靈敏度ku=U0/P，式中U0為壓電晶片的輸出電壓。2023/2/6312）壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)，用于飛機(jī)、車輛等的沖擊和振動(dòng)檢測。壓電加速度傳感器組成：質(zhì)量塊+壓電元件+基座等如圖所示，基座用來將傳感器與待測物體剛性固定，使基座與待測物以同一加速度運(yùn)動(dòng)；壓電元件受質(zhì)量塊與加速度方向相反的慣性力作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷（或電壓）。信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后用測量儀器測量幅值，得到物體的加速度。2023/2/6325.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2023/2/633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(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)。2023/2/634壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測量

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，因此壓電式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(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。

2023/2/635

（

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(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。2023/2/636（3）交通監(jiān)測

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、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)場滑行道等。2023/2/637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，可以用來測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。

2023/2/638二、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。

2023/2/639壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測量

2023/2/640壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器在體育動(dòng)態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺(tái)壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力2023/2/641三、振動(dòng)測量及頻譜分析

（1）振動(dòng)的基本概念

振動(dòng)可分為機(jī)械振動(dòng)、土木結(jié)構(gòu)振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器、爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。從振動(dòng)的頻率范圍來分，有高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)等。從振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征來看，可將振動(dòng)分為周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)以及隨機(jī)振動(dòng)等。

2023/2/642地震的巨大威力

2023/2/643地震波形2023/2/644（2）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。2023/2/645（3）壓電式振動(dòng)加速度傳感器的結(jié)構(gòu)及外形橫向振動(dòng)測振器縱向振動(dòng)測振器2023/2/646（4）壓電振動(dòng)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(diǎn):15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%2023/2/647（5）壓電加速度傳感器的安裝及使用a)雙頭螺絲固定b)磁鐵吸附c)膠水粘結(jié)d)手持探針式

1—壓電式加速度傳感器2—雙頭螺栓3—磁鋼

4—粘接劑5—頂針

2023/2/648（6）壓電振動(dòng)加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩。2023/2/649爆震波形

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸點(diǎn)火時(shí)刻必須十分精確。如果恰當(dāng)?shù)貙Ⅻc(diǎn)火時(shí)間提前一些，即有一個(gè)提前角，就可使汽缸中汽油與空氣的混合氣體得到充分燃燒，使扭矩增大，排污減少。但提前角太大時(shí)，混合氣體產(chǎn)生自燃，就會(huì)產(chǎn)生沖擊波，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，稱為爆震，可能使火花塞、活塞環(huán)熔化損壞，使缸蓋、連桿、曲軸等部件過載、變形，可用壓電傳感器檢測并控制之。2023/2/650爆震測量2023/2/651（7）振動(dòng)的頻譜分析及儀器時(shí)域圖形

測量時(shí)域圖形用的是示波器，測量頻域圖形用頻譜儀.2023/2/652頻譜儀

頻域圖形（頻譜圖）

頻譜圖或頻域圖：它的橫坐標(biāo)為頻率f，縱坐標(biāo)可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了