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1、完整版教学课件完整版教学课件第6章 压电传感器 2022-7-113一、教学目标一、教学目标1 1、知识目标、知识目标（1 1）了解不同压电材料的结构和特点。了解不同压电材料的结构和特点。 （2 2）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。路。（3 3）熟悉压电式传感器在工程上的应用。）熟悉压电式传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1 1、重点：、重点：压电式传感器的工作原理和应用。压电式传感器的工作原理和应用。2 2、难点：、难点：压电式传感器的测量电路。压电式传感器的测量电路。三、教学学时三、教学学时 4 4学时学时2022-
2、7-114 压电式传感器是一种自发电式压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响压电式传感器具有体积小、质量轻、
3、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。 2022-7-116正压电效应正压电效应 是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时，它的内部就会产生极压力而使其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面上会产生化的现象，同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重新恢复不带电的状态；当压力的作它又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改变。用方向
4、改变时，它内部的极性也随着改变。（顺压电效应）（顺压电效应） 打火机打火机压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和逆压电效应。逆压电效应。逆压电效应逆压电效应 是指当在电介质的极化方向是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就会在施加电场，这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机一定方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。（电致伸缩效之消失的现象。（电致伸缩效应）。应）。 音乐贺卡音乐贺卡 由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只由于外力的作用，在压
5、电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静态力的测量。态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，压电式传感器只适用于压电式传感器只适用于动态测量动态测量。在晶体的弹性限度内，在在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力轴方向上施加压力F x时，在时，
6、在x面上产生的电荷为面上产生的电荷为 Q=d11 Fx （5-1） 式中，式中，d11为为x轴方向受力的压电系数（轴方向受力的压电系数（C/N）；）；F x为为x轴方向的作用力（轴方向的作用力（N）。）。2022-7-1110 压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；一类是压电晶体（如上述的石英晶体）； 另一另一类是类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是高分压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。子压电材料。压电材料压电材料压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷高分子压电材料高分子压电材料2022-7-1111天然形
7、成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形2022-7-1112石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiOSiO2 2。 （a a）晶体外形）晶体外形 （b b）晶块）晶块图图6-2 6-2 石英晶体石英晶体定义：定义： x x：两平行柱面内夹角等分：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。强。称为电轴。 y y ：垂直于平行柱面，在：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称电场作用下变形最大，称为机械轴。为机械轴。 z z ：无压电效应，中心轴，：无压电效应，中心轴，也称光轴。也称光轴。当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧
8、离子当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图见图6-3（a）；当石英晶体在）；当石英晶体在x轴方向受力时，轴方向受力时，晶体的极面晶体的极面A上呈现负电荷，晶体的极面上呈现负电荷，晶体的极面B上呈上呈现正电荷，见图现正电荷，见图6-3(b)；当石英晶体在；当石英晶体在y轴方向轴方向受力时，晶体的极面受力时，晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极上呈现正电荷，晶体的极面面B上呈现负电荷，见图上呈现负电荷，见图6-3（c）。）。石英晶体在石
9、英晶体在2020200 200 内压电系数内压电系数的变化率小，因而其性能非常稳定，的变化率小，因而其性能非常稳定，不足之处在于压电系数较小不足之处在于压电系数较小（d d=2.31=2.3110101212 C/N C/N）。）。因此，石英晶体一般只在标准传感因此，石英晶体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用。的传感器中使用。2022-7-1118石英晶体薄片双面双面镀银镀银并封装并封装2022-7-1119 石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振晶振2022-7-1120 压电陶瓷是人
10、工制造的多晶压电材料，是一种能压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。 常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及非铅系压电陶瓷）及非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，由无数
11、细微的单晶组成。每个单晶粒形成一由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列，极结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列，极化方向杂乱无章，其总极化强度为化方向杂乱无章，其总极化强度为0 0，此时，此时受力则无压电效应受力则无压电效应。若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极化方使其中的电畴发生转动，趋向于其本
12、身自发的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。好的压电特性。（a a）未极化的陶瓷）未极化的陶瓷 (b)(b)正在极化的陶瓷正在极化的陶瓷 （c c）极化后的）极化后的陶瓷陶瓷图图6-4 6-4 压电陶瓷的极化过程压电陶瓷的极化过程压电晶体与压电陶瓷的比较：压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。感器
13、。极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。居里点也低。 19世世纪纪末，著名物理家居里在自己的末，著名物理家居里在自己的实验实验室里室里发现发现磁石的磁石的一个物理特性，就是当磁石加一个物理特性，就是当磁石加热热到一定温度到一定温度时时，原来的磁性，原来的磁性就会消失。后来，人就会消失。后来，人们们把把这这个温度叫个温度叫居里点居里点1 1）锆钛酸铅系列压电陶瓷）锆钛酸铅系列压电陶瓷 锆钛酸铅系列压电陶瓷锆钛酸铅系列压电陶瓷PZTPZT有较高的压电系数有较高的压电系数（d d（2
14、00200500500） 10101212 C/N C/N）和居里点）和居里点（500 500 左右），是目前常采用的一种压电左右），是目前常采用的一种压电材料。材料。2 2）非铅系列压电陶瓷）非铅系列压电陶瓷 非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷，它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。是今后压电陶瓷的发展方向。2022-7-11252022-7-1126 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯
15、（PVFPVF）、改性）、改性聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）等。其中以）等。其中以PVFPVF2 2的压电系的压电系数最高。数最高。高分子压电材料具有以下特点：（1）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现压电效应。（2）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以大量连续的拉升，制成较大面积或较长尺度的形状，因此，价格便宜。（3）高分子压电材料的声阻抗约为0.02 Pas/m3，与空气的声阻抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。（4）高分子压电材料的工作温度一般低于100 ，当温度升高时，其灵敏度降低。（5）高分子压电材料的机
16、械强度不高，抗紫外线能力较差，不适合暴晒，容易老化。2022-7-11282022-7-11292022-7-11302022-7-1131 由压电元件的工作原理可知由压电元件的工作原理可知, , 压压电式传感器可以看作一个电荷发生电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时器。同时, , 当压电元件表面聚集电当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器。质的电容器。6.2 6.2 压电式传感器的测量转换电路压电式传感器的测量转换电路6.2.1 6.2.1 压电元件的等效电路压电元件的等效电路则其电容量为则其电容量为 (7- 2) (7- 2) 式中式中
17、: A: A压电片的面积压电片的面积; ; d d 压电片的厚度压电片的厚度; ; r r压电材料的相对介电常数压电材料的相对介电常数0raACd 压电元件的开路电压的表达式为aQUC压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图7-6(a)7-6(a)所所示。它也可等效为一个电压源，如图示。它也可等效为一个电压源，如图7-6(b)7-6(b)所示。所示。（a a）“串联串联” Q Q=Q Q，U U=2=2U U，C C= = C C/2/2而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻
18、抗很高的地方压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方 （a a）串联）串联 图图6-7 6-7 压电元件的连接方式压电元件的连接方式（b） “并联并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。地方。压电传感器本身的内阻抗很高压电传感器本身的内阻抗很高, , 而输出能量而输出能量较小较小, , 因此它的测量电路通常需要接入一个因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为高输入阻抗的前置放大器，其作用为: : 一
19、是一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; ; 二是二是放大传感器输出的微弱信号。放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号压电传感器的输出可以是电压信号, , 也可以也可以是电荷信号是电荷信号, , 因此前置放大器也有两种形式因此前置放大器也有两种形式: : 电压放大器电压放大器和和电荷放大器电荷放大器。图6-8 电荷放大器的等效电路由于电荷放大器中的反馈电容由于电荷放大器中的反馈电容C Cf f在输入端的等效电在输入端的等效电容满足容满足C Cf f（A A+1+1）（C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i），因而可以忽略电），因而可以
20、忽略电缆电容缆电容C Cc c和前置放大器的输入电容和前置放大器的输入电容C Ci i的影响。因此，的影响。因此，电荷放大器输出电压的表达式为电荷放大器输出电压的表达式为 （6-6）oUAUfacif(1)()QAQC ACCCC由式（6-6）可以得出以下几点结论：（1）电荷放大器的输出电压 只与输入电荷量Q和反馈电容Cf有关，而与放大器的放大系数A、电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci等的变化均无关。（2）只要保持反馈电容Cf的数值不变，就可得到与输入电荷量Q变化成线性关系的输出电压 。（3）压电式传感器产生的电荷量Q一定时，反馈电容Cf越小，输出电压 就越大。（4）要达到一定的输出灵敏度
21、要求，就必须选择适当的反馈电容Cf。（5）输出电压与电缆电容Cc无关条件是 Cf（A+1）（Ca+Cc+Ci）。ofacif(1)()QAQUC ACCCC （a） （b）图6-9 电压放大器的等效电路及其简化电路iaciQUCCCicaOCCCAQU2022-7-11432022-7-1144 测振用的传感器又称拾振器，它有接触式测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。下面介绍压电式测振传感霍尔式、光电式等。下面
22、介绍压电式测振传感器及其应用。器及其应用。6.3 6.3 压电传感器的应用压电传感器的应用2022-7-1145横向振横向振动动测测振器振器纵纵向振向振动动测测振器振器图6-11 压缩式压电加速度传感器的结构图6-12 纵向效应式压电加速度传感器的结构1电极； 2质量块； 3螺母； 4压电陶瓷； 5基座图6-13 剪切式压电加速度传感器的结构图6-14 弯曲式压电加速度传感器的结构图6-15 压电式三向动态测力仪的结构图6-16 压电式血压传感器的结构图6-17 压电式流量计的结构2022-7-1153粘贴位置粘贴位置1.压电式玻璃破碎报警器将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎
23、时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 2022-7-1154质量块 将厚约将厚约0.2mm0.2mm左右的左右的PVDFPVDF薄薄膜裁制成膜裁制成1010 20mm20mm大小。在它的大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q Q ，在两个输出
24、引，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。2022-7-1155 将长的压电电缆埋在泥将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的可在几十米范围内探测人的步行步行, , 对轮式或履带式车辆对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的辨出来。右图为测量系统的输出波形。输出波形。2022-7-1156 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。2022-7-1157 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约公路的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 感 谢 聆 听