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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材传 感 器（第5版）第一节压电效应与压电元件 第二节 等效电路与测量电路 第三节压电式传感器的应用举例第六章 压电式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回主目录l 压 电 式 传 感 器 基 于 某 些 物 质 的 压 电 效 应 工 作，是 一 种 发 电 式 传 感 器（无源传感器）。l 压电效应可逆，故压电式传感器是一种“双向传感器”。l 优 点：响 应 频 带 宽、灵 敏 度 高、信 噪 比 大、结 构 简 单、工 作 可 靠、重量轻、体积小。l 缺 点：无 静 态 输 出，阻 抗 高，需 要 低 电 容 的 低 噪 声 电 缆，很 多 压
2、电材料工作温度在250 左右。第六章 压电式传感器第一节 压电效应与压电元件一、压电效应n 正 压 电 效 应：某 些 电 介 质，当 沿 着 一 定 方 向 对 其 施 力 而 使 它 变 形 时，内 部 就 产 生 极 化 现 象，同 时 在 它 的 一 定 表 面 上 产 生 电 荷，当 外 力 去 掉 后，又重新恢复不带电状态的现象。n 逆 压 电 效 应：当 在 电 介 质 的 极 化 方 向 施 加 电 场，这 些 电 介 质 就 在 一 定方 向 上 产 生 机 械 变 形 或 机 械 压 力，当 外 加 电 场 撤 去 时，这 些 变 形 或 应 力也随之消失的现象。电能 机械
3、能正压电效应逆压电效应第六章 压电式传感器（2）一般表达式：第一节 压电效应与压电元件q电荷密度；dij压电应力常数；切应力；图6-2 压电元件坐标系几点说明：下角标i、j：i=1、2、3，表示晶体的极化方向；j=1、2、3、4、5、6，分 别 表 示 沿x轴、y轴、z 轴 方 向 的 单 向 应 力 和 围 绕x轴、y轴、z 轴 作 用 的 剪切应力。应力符号规定：单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切应力的符号用右螺旋定则确定。图6-2b 表示其正向。需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定dij的符 号，使 得 方 程 组 具 有 更 普 遍 的 意 义。当 电
4、 场 方 向 指 向 晶 轴 的 正 向 时 为正，反之为负。第一节 压电效应与压电元件（3）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：各参数含义：q1、q2、q3垂直于x轴、y轴、z 轴的平面上的电荷面密度；1、2、3沿着 x轴、y轴、z 轴的单向应力；4、5、6围绕x轴、y轴、z 轴的剪切应力；第一节 压电效应与压电元件二、压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。压 电 式 传 感 器 属 于 物 性 型，故 选 用 合 适 的 压 电 材 料 是 设 计 高 性 能 传感器的关键。压电材料选择的具体要求：转换性能。要求具有较大压电常数。机 械 性 能。压 电 元 件 作 为
5、受 力 元 件，希 望 它 的 机 械 强 度 高、刚 度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电 性 能。希 望 具 有 高 电 阻 率 和 大 介 电 常 数，以 减 弱 外 部 分 布 电 容的影响并获得良好的低频特性。环 境 适 应 性 强。温 度 和 湿 度 稳 定 性 要 好，要 求 具 有 较 高 的 居 里 点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。第一节 压电效应与压电元件1、单晶体n 石英晶体种类：天然石英和人造石英。n 石英晶体外形：镜像对称，理想外形具有30个晶面。n 石英晶体的晶体轴（右手直角坐标系表示）X 轴，相 邻 柱 面 内 夹 角
6、 的 等 分 线，垂 直 于 此 轴 的 面 压 电 效 应 最 强，又称电轴；Y 轴，垂 直 于 六 边 形 对 边 的 轴 线，又 称 机 械 轴，在 电 场 作 用 下，沿该轴方向的机械变形最明显；Z 轴，垂 直 于X、Y 轴 的 纵 轴，此 方 向 无 压 电 效 应，可 用 光 学 方 法 确定，又称光轴。术语：纵向压电效应：在1作用下产生电荷的压电效应；横向压电效应：在2作用下产生电荷的压电效应。第一节 压电效应与压电元件2、多晶体n 压电陶瓷：压 电 陶 瓷 是 人 工 多 晶 体 压 电材 料。压 电 陶 瓷 在 没 有 极 化 之 前不 具 有 压 电 效 应，是 非 压 电
7、 体；压 电 陶 瓷 经 过 极 化 处 理 后 具 有 压电效应，极化过程如图：n 压电陶瓷的制作工艺：原材料粉碎；成型；高温烧结得到多晶导电体；人工极化。第一节 压电效应与压电元件a)未极化 b)电极化图6-5 压电陶瓷中的电畴第一节 压电效应与压电元件图6-6 压电元件的受力状态及变形方式a)厚度变形 b)长度变形 c)面剪切变形d)厚度剪切变形 e)体积变形l 双压电晶片 实 际 应 用 中，如 果 只 用 单 片 压 晶 片，要 产 生 足 够 的 表 面 电 荷 需 较 大作 用 力。而 测 表 面 粗 糙 度 和 微 压 差 时 提 供 的 力 较 小，故 常 将 两 片 或两片
8、以上压电片组合使用。（1）双片悬臂元件（即双片弯曲式压电传感器）当 自 由 端 受 力F 时，晶 片 弯 曲，上 片 受 拉，下 片 受 压，中 性 面OO长度不变。第一节 压电效应与压电元件（2）压电元件的并联和串联 压电材料是有极性的。并联第一节 压电效应与压电元件并联特点：串联第一节 压电效应与压电元件串联特点：一、等效电路 压 电 元 件 两 电 极 间 的 压 电 陶 瓷 或 石 英 为 绝 缘 体，故 可 构 成 一 个 电容器。qq电极压电元件Ca第二节 压等效电路与测量电路第六章 压电式传感器电容量计算式：压 电 元 件 受 外 力 作 用，两 表 面 产 生 等 量 正、负
9、电 荷，其 开 路 电 压为：第二节 压等效电路与测量电路压 电 传 感 器 可 等 效 为 一 个 电 荷 源 Q 和 一 个 电 容 器 Ca的 并 联 电 路；也 可等 效 为 电 压 源 U 和 一 个 电 容 器 Ca的 串 联 电 路。其 中，Ra为 压 电 元 件 的 漏电阻。Ca Ra Cc R iC iQa）电荷等效电路第二节 压等效电路与测量电路CaRa Cc R iC iUb)电压等效电路图6-9 压电式传感器测试系统等效电路前置放大器的形式：u 一 种 是 电 压 放 大 器，其 输 出 电 压 与 输 入 电 压(压 电 元 件 的 输 出 电 压)成正比；u 一种是
10、电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。第二节 压等效电路与测量电路二、测量电路压 电 式 传 感 器 本 身 的 内 阻 很 高(Ra1010)，而 输 出 的 能 量 信 号 又 非 常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用：u 一是放大压电元件的微弱信号；u 二是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗）。1、电压放大器 将 图69b 的 电 压 等 效 电 路 接 到 放 大 倍 数 为 A 的 运 放，再 简 化 可 得电压放大电路。A ACaCaRa Ri CiCcCRUi UoUoU(a)(b)Ua第二节 压等效电路与测
11、量电路图6-10 简化后的等效电路等效电阻R 为：压电元件所受作用力：C=Cc+Ci等效电容为：Fm作用力的幅值第二节 压等效电路与测量电路放大器输入端的电压ui，其复数形式为Ui的幅值Uim为输入电压与作用力之间的相位差为第二节 压等效电路与测量电路当 时，放大器输入端电压幅值为传感器的电压灵敏度为结 论：因 电 缆 电 容 及 放 大 器 输 入 电 容 的 存 在，灵 敏 度 减 小。如 果 更换 电 缆，电 缆 电 容 变 化，灵 敏 度 变 化。因 此，如 果 要 改 变 电 缆 长 度，必须重新对灵敏度校正。第二节 压等效电路与测量电路压电式传感器的特点分析：（1）高频响应好；（2
12、）要 扩 展 低 频 端，应 使 时 间 常 数 增 大。但 不 能 靠 增 加 测 量 回 路的电容，电阻的增加也是不容易的。（3）电 缆 不 能 太 长，但 可 设 计 成 一 体 化 传 感 器，即 放 大 器 置 入 传 感器内部。第二节 压等效电路与测量电路若下限频率已选定，时间常数 应满足下式据此选择与配置各电阻电容值。2、电荷放大器n 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高 增 益 放 大 器，其 基 本 电 路 如 图a所 示，CF、RF为 反 馈 电 路 参 数。此 处 运 用 导 纳 运算。n CF、RF等效到A 的输入端时，电容CF和电导GF都增大(1 A)倍。所以图中第二节
13、 压等效电路与测量电路ACaUo图6-11a 基本电路图iRaQCFRFUiAGa CFUoUiQCaCcCiGiGF图6-11b 等效电路图第二节 压等效电路与测量电路n 若再考虑Cc、Ci、Ri，则电荷放大器的等效电路图如b所示。输出电压讨论：（1）当 A 足 够 大 时,传 感 器 本 身 的 电 容 和 电 缆 长 短 将 不 影 响 电 荷 放大器的输出。输出电压只决定于输入电荷Q 及反馈回路的参数CF和RF。第二节 压等效电路与测量电路（2）当工作频率很高（即被测量为高频信号），由于GF CF,则 可见输出电压Uo与A 也无关，只取决于Q 和CF。（3）当工作频率很低(即被测量为低
14、频信号），GF与CF相当，此时第二节 压等效电路与测量电路电压幅值为 上 式 表 明：输 出 电 压 不 仅 与 表 面 电 荷 Q 有 关，并 且 与 参 数 CF、RF和 有关，而与开环增益A 无关。且 越小，GF项越重要。当GFCF时，有第二节 压等效电路与测量电路 可 见 这 是 截 止 频 率 点 的 输 出 电 压，增 益 下 降3dB 时 对 应 的 下 限 截 止频率为 电压Uo与电荷Q 的相位差为第二节 压等效电路与测量电路小结：（1）低 频 时 电 荷 放 大 器 的 频 率 响 应 仅 决 定 于 反 馈 电 路 参 数 RF和 CF,其 中 CF的 大 小 可 以 由
15、所 需 要 的 电 压 输 出 幅 度 决 定。所 以 当 给 定 工 作 频 带下 限 截 止 频 率 fL时,反 馈 电 阻 RF值 也 可 确 定。如 当 CF=1000pF,fL=0.16Hz 时,则要求RF109。（2）电 荷 放 大 器 工 作 频 带 上 限 取 决 于：运 算 放 大 器 的 频 率 响 应；电缆长度（但影响较小）。（3）电 荷 放 大 器 允 许 使 用 很 长 电 缆，且 电 容 变 化 不 影 响 灵 敏 度；但价格高，电路复杂，调整困难。第二节 压等效电路与测量电路 特 点：压 电 式 传 感 器 的高 频 响 应 好；若 配 备 合 适 的 电荷 放
16、大 器，低 频 段 可 低 至0.3Hz。常 用 来 测 量 动 态 参 数，如振动、加速度等。一、压电式加速度传感器1.单端中心压缩式第三节 压电式传感器的应用举例图6-13 压电加速度传感器结构原理图a)单端中心压缩式 b)梁式 c)挑担式1一质量块 2晶片3引线 4一底座第六章 压电式传感器2、梁式特 点：采 用 压 电 晶 体 弯 曲 变 形 方 案，可 测 较 小 的 加 速 度，灵 敏 度 高，频率下限低。如地壳、建筑物的振动。3、挑担剪切式 压 电 元 件 只 承 受 剪 切 力，可 以 有 效 削 弱 瞬 变 温 度 引 起 的 热 释 电 效 应。测量冲击和轻型板、小元件的振
17、动。第三节 压电式传感器的应用举例二、压电式测力传感器1、单向压电测力传感器l 石英晶片：纵向压电效应；采用X 零度切型（即晶片面与X 轴垂直的 切 割，或 者 说 晶 片 厚 度 沿X 轴 方 向，长 度 沿Y 轴 方 向）；取 电 荷 的电 极 为 与 X 轴 垂 直 的 上 下 底 面，晶 片 尺 寸 为 81 毫 米，许 用 压 力15105Pa；量程几kN 105 kN 时，输出并联受力为串联型。第三节 压电式传感器的应用举例l 上盖（盖板）：传力元件，它的变形壁的厚度只有0.10.5毫米；l 金属基座l 绝缘环：聚四氟材料；l 焊缝：电子束焊接。第三节 压电式传感器的应用举例图6-
18、14 单向压电测力传感器结构示意图2、三向压电测力传感器l 基本结构同单向测力传感器；l 压电元件由三对不同切型的石英片组成，中间一对由于具有纵向压电 效 应，可 以 测 得 主 切 削 力Pz；另 外 两 对 具 有 切 向 效 应，方 向 互 成90，可以测量径向力Py与进给力Px。l 当空间任何方向的力作用在传感器上时，便能自动的分解成三个互相垂直的分力。第三节 压电式传感器的应用举例第三节 压电式传感器的应用举例图6-15 三向压电测力传感器三、PVDF 压电薄膜l PVDF，有机高分子敏感材料，聚偏二氟乙烯，具有很强压电特性。l 主要优点：1.高的压电灵敏度，比石英高十多倍；2.频响
19、宽，10-5-5*108Hz；3.韧性和加工性能好，易切割，易制成大面积元件和阵列元件；4.声阻抗与水和人体肌肉接近，可作水听器和医用传感元件。第三节 压电式传感器的应用举例l 应用：1.PVDF 血 压 传 感 器：圆 柱 体 纵 切 形 状，与 上 腕 部 动 脉 沟 吻 合，使 用方便。2.机 器 人 触 觉 传 感 器：同 时 具 有 压 电 效 应 和 热 释 电 效 应，薄 膜 柔 软，做成大面积传感阵列器件。第三节 压电式传感器的应用举例图6-16 血压传感器结构图1PVDF 薄膜 2塑料骨架 3硅凝胶弹性体 4硬质衬底图6-17 PVDF 触觉传感器1底座 2电路板 3接线 4PVDF 膜 5被识别物四、集成化压电传感器l 组成：压电传感器微型前置放大器（前端阻抗变换器、高低通滤波器、积分器、输出放大器、过载保护等电路）l 优点：简化测试系统，省去电荷放大器；普通电缆传输信号；低阻抗输出。l 缺点：需要附加供电线路，温度受内装电子线路影响。第三节 压电式传感器的应用举例五、实际应用中的误差因素（一）环境温度的影响（二）湿度的影响（三）横向灵敏度和它所引起的误差（四）电缆噪声（五）接地回路噪声第三节 压电式传感器的应用举例