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1、第六章第六章压电式传感器压电式传感器6.1压电效应及材料压电效应及材料6.1.1 压电效应压电效应 在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力而产生而产生形变形变时，就会引起它内部的正负电荷中心相对时，就会引起它内部的正负电荷中心相对转移而产生电的转移而产生电的极化极化，从而导致其两个相对表面（极，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的化面）上出现符号相反的束缚电荷束缚电荷Q且其且其电荷密度电荷密度与外应力张量与外应力张量T T成正比：成正比：当外力消失，又恢复不带电状态；当外力当外力消失，又恢复不带电状态；当外力方向方向改变改变，电荷，电荷
2、极性随之改变极性随之改变。这种现象称为正压电效。这种现象称为正压电效应，简称应，简称压电效应压电效应。逆压电效应逆压电效应若对上述电介质施加若对上述电介质施加电场作用电场作用时，同样会时，同样会引起它引起它内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质产生形变产生形变，且其应变且其应变S与外电场强度与外电场强度E成正比：成正比：这种现象称为这种现象称为逆压电效应逆压电效应，或称，或称电致伸缩电致伸缩。可见，具有压电特性的电介质可见，具有压电特性的电介质(压电材料压电材料)能实能实现现机电机电能量的相互转换能量的相互转换压电效应压电效应压电晶体压电晶体石英晶体的压电
3、效应演示石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于态力时，电荷将由于表面漏电表面漏电而很快泄漏、消失。而很快泄漏、消失。6.1.2压电材料主要特性参数：主要特性参数：l压电常数压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度；输出的灵敏度；l弹性常数弹性常数：刚度决定压电器件的固有频率和动态特性：刚度决定压电器件的固有频率和动态特性l介电常数介电常数：决定压电器件的固有电容，固有
4、电容影响：决定压电器件的固有电容，固有电容影响压电传感器的频率下限（压电传感器的频率下限（C越大，频率下限就越低）。越大，频率下限就越低）。l机械耦合系数机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率。：衡量压电材料机电能量转换效率。是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。之比的平方根。l电阻电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性。感器的低频特性。l居里点温度居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度。即：压电材料开始丧失压电特性的温度。即工作温度上限。工作温度上限。压
5、电晶体l单晶体结构：单晶体结构：SiO2。正六面体正六面体。l各向异性：各向异性：11石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电效应。效应。l纵轴纵轴z：光轴，沿：光轴，沿z轴方向的作用力不产生压电效应。轴方向的作用力不产生压电效应。l电轴：电轴：x轴，电轴，垂直于此轴的面上压电效应明显。轴，电轴，垂直于此轴的面上压电效应明显。纵向压电效应。纵向压电效应。l机械轴：机械轴：y轴，切割方向，电场作用下沿该轴方向的轴，切割方向，电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显。横向压电效应。机械变形最明显。横向压电效应。石英晶体压电
6、模型l外力外力0：正负离子分布在正负离子分布在正六边形正六边形顶角上，形成三顶角上，形成三个互成个互成120 夹角的电偶极距夹角的电偶极距P1，P2，P3。lP=ql，l是正负电荷之间的距离是正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心。此时正负电荷重心重合，重合，矢量和矢量和P1+P2+P3=0。晶体表面不产生电荷，。晶体表面不产生电荷，呈中性。呈中性。lFx拉力（拉力（Fy 压力）压力）：晶体沿晶体沿x方向压缩变形，正负方向压缩变形，正负离子相对位置变动。正负电荷重心不再重合，离子相对位置变动。正负电荷重心不再重合，P1减减小，小，P2，P3增加，使电偶极距在增加，使电偶极距在x方向上的分量不等方
7、向上的分量不等于零，在于零，在x轴正方向出现负电荷；电偶极距在轴正方向出现负电荷；电偶极距在y方向方向上的分量仍为零，不出现电荷。上的分量仍为零，不出现电荷。lFx压力（压力（Fy 拉力）拉力）：晶体沿晶体沿y方向压缩变形，方向压缩变形，P1增增大，大，P2，P3减小。电偶极距减小。电偶极距x方向上的分量不等于零，方向上的分量不等于零，x轴正方向出现正电荷；电偶极距在轴正方向出现正电荷；电偶极距在y方向上分量仍方向上分量仍为零，不出现电荷。为零，不出现电荷。l Fz 0：晶体在：晶体在x,y方向产生的形变完全相同，正负方向产生的形变完全相同，正负电荷重心重合，电偶极距矢量和等于零，晶体不会电荷
8、重心重合，电偶极距矢量和等于零，晶体不会产生压电效应。产生压电效应。石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振2.其它压电单晶其它压电单晶锂盐类压电和铁电单晶材料。锂盐类压电和铁电单晶材料。时间稳定性好，居里点温度
9、高达时间稳定性好，居里点温度高达1200C，在高温、，在高温、强强辐辐射条件下仍具有良好的射条件下仍具有良好的压电压电效效应应，且机械性能好，且机械性能好，同同时时具有光具有光电电、声光效、声光效应应。不足之。不足之处处是是质质地脆，抗机地脆，抗机械和械和热热冲冲击击性差。性差。6.1.2.2压电陶瓷l压电陶瓷是压电陶瓷是人工制造人工制造的多晶压电材料，它比石英晶的多晶压电材料，它比石英晶体的体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此，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目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸
10、铅系列压电陶。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。l压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。温度稳定性和机械强度都不如石英。压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓所谓“多晶多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴电畴”结构。结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排
11、每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性性(如图所示如图所示)。要使之具有压电性，必须作。要使之具有压电性，必须作极化处理，极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴电畴”趋向外电场方向作规则排列如图趋向外电场方向作规则排列如图6.4(中中)；极化电；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性如图极化，从而呈现出压电性如图6.4(右右)。1.压电陶瓷的极化处理压电陶瓷的
12、极化处理2.常用压电陶瓷常用压电陶瓷(书书P138表表61)压电陶瓷外形压电陶瓷外形无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）6.1.2.36.1.2.3新型压电材料新型压电材料新型压电材料新型压电材料1 1、压电半导体压电半导体 硫化锌硫化锌(ZnS)、碲化镉、碲化镉(CdTe)、氧化锌、氧化锌(Zno)、硫、硫化镉化镉(CdS)、碲化锌、碲化锌(ZnTe)和砷化镓和砷化镓(GaAs)等。等。显著特点：显著特点：具有压电效应，又有半导体特性具有压电效应，又有半导体特性，可，可同时利用将两者结合
13、，集元件与电路于一体，形成新同时利用将两者结合，集元件与电路于一体，形成新型型集成压电传感器系统集成压电传感器系统。2.2.有机高分子压电材料有机高分子压电材料有机高分子压电材料有机高分子压电材料聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVC）等。是一种柔软的）等。是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽大面积或较长的尺
14、度，价格便宜，频率响应范围较宽。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器6.2.2压电方程及压电常数矩阵（略）压电方程及压电常数矩阵（略）书书P141图图6-76.3等效电路及测量电路等效电路及测量电路6.3.1.等效电路等效电路 相对介电常数为相对介电常数为rr，极化面积为，极化面积为A A，厚度为，厚度为t t的的压压电片的两电极出现等量异号
15、的电荷，中间为绝缘体，电片的两电极出现等量异号的电荷，中间为绝缘体，可视为一个自源可视为一个自源电容器：电容器：(a)当需要压电器件输出电压时，可等效为与电容串联当需要压电器件输出电压时，可等效为与电容串联的电压源，开路状态输出电压及电压灵敏度为：的电压源，开路状态输出电压及电压灵敏度为：(b)当需要压电器件输出电荷时，可等效为与电容并联当需要压电器件输出电荷时，可等效为与电容并联的的电荷源，电荷源，开路状态输出电荷及电荷灵敏度为：开路状态输出电荷及电荷灵敏度为：Ku与与Kq之间存在如下关系：之间存在如下关系：以上为理想等效电路，只有在压电器件本身理想绝以上为理想等效电路，只有在压电器件本身理
16、想绝缘、无泄漏、输出端开路条件下成立。缘、无泄漏、输出端开路条件下成立。实际等效电路实际等效电路l考虑连接电缆分布电容考虑连接电缆分布电容Cc，放大器输入电阻，放大器输入电阻Ri 和电和电容容Ci，压电传感器泄露电阻，压电传感器泄露电阻Ra的影响。的影响。图图6.9压电传感器等效电路和测量电路压电传感器等效电路和测量电路(a)电压源；电压源；(b)电荷源电荷源6.3.2测量电路测量电路的主要作用：测量电路的主要作用：l压电传感器内阻较高，输出能量较小，测量电路需压电传感器内阻较高，输出能量较小，测量电路需要高输入阻抗前置放大器。要高输入阻抗前置放大器。l阻抗匹配：将高输出阻抗变换为低输出阻抗；
17、阻抗匹配：将高输出阻抗变换为低输出阻抗；l信号放大：放大传感器输出的微弱信号（电压、电信号放大：放大传感器输出的微弱信号（电压、电荷）。荷）。常用的测量电路形式：常用的测量电路形式：l前置放大器：电压放大器、电荷放大器前置放大器：电压放大器、电荷放大器6.3.2.1电压放大器（阻抗变换器电压放大器（阻抗变换器）压电器件的输出电压为压电器件的输出电压为：1.压电输出特性压电输出特性,故回路输出电压及灵敏度为：故回路输出电压及灵敏度为：回路输出电压：回路输出电压：灵敏度的幅值和相位为灵敏度的幅值和相位为：理想情况下理想情况下2.动态特性动态特性输出电压灵敏度：输出电压灵敏度：从图中分析：从图中分析
18、：(1)高频特性高频特性当当1时，时，即当回路时间常数一定时，被测即当回路时间常数一定时，被测量频率越高，输出电压灵敏度越量频率越高，输出电压灵敏度越接近理想状态。表明器件高频响接近理想状态。表明器件高频响应特性好。应特性好。（2）低频特性当）低频特性当1时，即当回路时间常数一时，即当回路时间常数一定时，被测量频率越低，输出电压灵敏度越偏离理想定时，被测量频率越低，输出电压灵敏度越偏离理想状态。状态。动态误差动态误差=(k-1)*100%越大。相位角误差也越大。相位角误差也大。大。为保证低频工作时满足一定的精度，必须增加为保证低频工作时满足一定的精度，必须增加时间常数时间常数RC。途径一：途径
19、一：增大增大C，但，但Kum将减小，不将减小，不可取；可取；途径二：途径二：增大增大R=RaRi/(Ra+Ri)，即要求放大器，即要求放大器的输入电阻的输入电阻Ri足够大。足够大。设计和使用时应注意设计和使用时应注意:(1)特性曲线显示了被测角频率特性曲线显示了被测角频率(=2f)、放大器、放大器输入电阻输入电阻Ri和动态误差和动态误差或相位角或相位角误误差之差之间间的关系。的关系。因此在因此在设计设计和和应应用用压电传压电传感器感器时时，可，可根据根据给给定的精度定的精度，合理选择，合理选择Ri和和f 。(2)由于采用电压放大器的压电传感器，其输出由于采用电压放大器的压电传感器，其输出电压受
20、电缆分布电容电压受电缆分布电容Cc的影响。压电传感器与前置放的影响。压电传感器与前置放大器之间大器之间连接电缆不能随意更换连接电缆不能随意更换，否则将偏离原标定，否则将偏离原标定的灵敏度，引入测量误差。的灵敏度，引入测量误差。解决办法：将放大器放入传感器中。解决办法：将放大器放入传感器中。电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但不电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但不能用于静态测量。能用于静态测量。1.工作原理和输出特性工作原理和输出特性电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源转换为传电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源转换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使输出电感器低内阻的电压源，以实
21、现阻抗匹配，并使输出电压正比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化压正比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化影响。影响。输入阻抗输入阻抗10101012欧，输出阻抗小于欧，输出阻抗小于100欧。欧。优点：在一定条件下，传感器灵敏度与电缆长度优点：在一定条件下，传感器灵敏度与电缆长度无关。无关。电荷放大器实际是电荷放大器实际是具有深度负反馈的高增益放大具有深度负反馈的高增益放大器器，等效电路如下页图。，等效电路如下页图。反馈电容反馈电容Cf 、高增益运算放大器、高增益运算放大器A，开环增益足开环增益足够大，运放输入端电流几乎为零，则推导得：够大，运放输入端电流几乎为零，则推导得：6.3.2
22、.2电荷放大器电荷放大器结论：电路线性好，电缆对性能无影响结论：电路线性好，电缆对性能无影响反馈电容反馈电容Cf 、高增益运、高增益运算放大器算放大器A，开环增益足够大，开环增益足够大，运放输入端电流几乎为零，则运放输入端电流几乎为零，则推导得：推导得：2.高低频限高低频限3.高频上限高频上限：低频下限低频下限：四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东（参考东（参考东（参考东方振动和噪声技术研究所资料）方振动和噪声技术研究所资料）方振动和噪声技术研究所资料）方振动和噪声技术研究所资料）灵敏度：1000mV/pC频率范围：10
23、0KHz噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V准确度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz控制方式：计算机或手动超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标:灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归一化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V特点：可组成经济的多点测试系统其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）6.4压电式传感器及其应用压电式传感器及其应用 凡是利用压电材料的各种物理效应构成
24、凡是利用压电材料的各种物理效应构成的传感器均称为压电传感器；的传感器均称为压电传感器；1.力电转换的变形方式力电转换的变形方式(P148表表65)受力及受力及变形方式常变形方式常用：厚度变用：厚度变形的压缩式、形的压缩式、剪切变形的剪切变形的剪切式剪切式多片压电材料的连接多片压电材料的连接(a)并联，并联，U不变，不变，2Q常用并联；常用并联；(b)串联，串联，Q不变，不变，2U2q2U2.压电元件的结构和组合形式压电元件的结构和组合形式压电传感器在压力较低时线性度不好，因此加入压电传感器在压力较低时线性度不好，因此加入预加力，称预加力，称预载预载，消除非线性，同时提高刚度。只有，消除非线性，
25、同时提高刚度。只有加预载才能测量拉力、交变力、剪力、扭矩。加预载才能测量拉力、交变力、剪力、扭矩。连接连接方式方式特点特点说明说明备注备注并联并联电压相等电压相等电容相加电容相加电荷相加电荷相加传感器时间常数增大，传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适电荷灵敏度增大，适用于电荷输出、低频用于电荷输出、低频信号测量的场合信号测量的场合每两片晶每两片晶层中间夹层中间夹垫金属片垫金属片作电极，作电极，引出导线引出导线串联串联电荷相等电荷相等电压相加电压相加电容减小电容减小传感器时间常数减小，传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适电压灵敏度增大，适用于电压输出、高频用于电压输出、高频信号测量及回路高输
26、信号测量及回路高输入阻抗的场合入阻抗的场合晶片之间晶片之间用导电胶用导电胶粘结，端粘结，端面用金属面用金属垫片引出垫片引出导线导线表表66压电片串并联组合的特点压电片串并联组合的特点压电传感器的应用压电传感器的应用一、高分子压电材料的应用1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴粘贴位置位置高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压
27、电材料制作的玻璃打碎传感器质量块将将厚厚约约左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极，再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线线。并并用用保保护护膜膜覆覆盖。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 ，在两个输出引，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。2 2压电式周界报警系统压电式周
28、界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）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，可起分布式土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探用，可在几十米范围内探测人的步行测人的步行,对轮式或履带对轮式或履带式车辆也可以通过信号处式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。测量系统的输出波形。3.3.交通监测交通监测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
29、，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。高分子压电高分子压电高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用电缆的应用电缆的应用演示演示演示演示 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于，平行埋设于柏油公路的路面下约柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的，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
30、，判定载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。汽车的车型。压电压电压电压电(陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷)式动态力传感器以及在式动态力传感器以及在式动态力传感器以及在式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量车床中用于动态切削力的测量车床中用于动态切削力的测量车床中用于动态切削力的测量压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力6.5影响压电传感器工作性能的主要因素影响压电传感器工作性能的主要因素6.5.1横向灵敏度横向灵敏度6.5.2环境温度和湿度环境温度和湿度6.5.3安装差异及基座应变安装差异及基座应变6.5.4噪声噪声