第5章 压电式传感器课件.ppt

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1、 压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的有源传感器有源传感器，它利用了电介，它利用了电介质物体在外力作用下会在其表面产生电荷的原理，来完成质物体在外力作用下会在其表面产生电荷的原理，来完成非电量的测量，故又称为自发电式传感器或电势式传感器非电量的测量，故又称为自发电式传感器或电势式传感器 某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，当作用力方当将外力去掉后，它们又重新回到不带

2、电的状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种现象就称为这种现象就称为压电效应。压电效应。 人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为“正压电效正压电效应应”。在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为机械能的现象，则称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。 明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料，压电

3、明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料，压电材料能实现机材料能实现机电能量的相互转换，如图电能量的相互转换，如图5-15-1所示。所示。 目前应用于压电式传感器中的目前应用于压电式传感器中的压电元件材料压电元件材料一般有三类。一般有三类。第一类是压电晶体，如石英晶体（第一类是压电晶体，如石英晶体（SiO2SiO2）等；）等；第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；铅等；第三类是新型压电材料第三类是新型压电材料高分子压电材料，如聚偏二氟高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯（乙烯（PVF2PVF2）等。）等。 为了更进一步分析和更有效地使

4、用压电式传感器，有必要引为了更进一步分析和更有效地使用压电式传感器，有必要引入入压电元件的等效电路。压电元件的等效电路。 当压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极当压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电传感器表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电传感器看做是一个静电荷发生器，而压电元件在这一过程中可以看成看做是一个静电荷发生器，而压电元件在这一过程中可以看成是一个电容器其电容量是一个电容器其电容量CaCa为为)(0FdSdSCra式中，式中，SS为压电元件电极面面积，为压电元件电极面面积，m2m2；dd为压电元件

5、厚度，为压电元件厚度，mm； 为压电材料的介电常数，为压电材料的介电常数，F/mF/m； r r为压电材料的相对介电常数；为压电材料的相对介电常数； 0 0为真空介电常数（为真空介电常数（8.858.85 1010-12F/m-12F/m）。）。当需要压电元件输出电荷时，当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图5-55-5（a a）所示。在开路状态，其输出端电荷为所示。在开路状态，其输出端电荷为UCqa当需要压电元件输出电压时，当需要压电元件输出电压时，可以把它等效成一个电可以

6、把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图5-55-5（b b）所示。在开路状态，其输出端电压为所示。在开路状态，其输出端电压为aCqU （a）电荷等效电路 （b）电压等效电路图5-5 压电元件等效电路 工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容相连接，这就要考虑连接电缆电容CcCc、放大器的输入电阻、放大器的输入电阻RiRi和输入电容和输入电容CiCi。 如图如图5-65-6所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。所示为压电传感器测试系统完整的等效电路

7、。（a）电荷等效电路）电荷等效电路 （b）电压等效电路）电压等效电路图图 5-6 实际等效电路实际等效电路 由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小，因由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小，因此它的测量电路通常需要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。接入一个高输入阻抗的前置放大器。 其作用为：其作用为： 把它的高输入阻抗（一般把它的高输入阻抗（一般1 000 M1 000 M 以上）变换为低输出以上）变换为低输出阻抗（小于阻抗（小于100100 ）；对传感器输出的微弱信号进行放大。）；对传感器输出的微弱信号进行放大。 根据压电式传感器的两种等效方式可知，压电式

8、传感器的根据压电式传感器的两种等效方式可知，压电式传感器的输出可以是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有输出可以是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种两种形式：电压放大器和电荷放大器。形式：电压放大器和电荷放大器。 在略去压电式传感器的泄漏电阻在略去压电式传感器的泄漏电阻RaRa和放大器输入电阻和放大器输入电阻RiRi两个并联电阻（理想情况下二者都为无穷大），将压电式两个并联电阻（理想情况下二者都为无穷大），将压电式传感器等效电容传感器等效电容CaCa、连接电缆的等效电容、连接电缆的等效电容CcCc、放大器输入、放大器输入电容电容CiCi，合并为电容，合并为电容C C后，电荷放大器等效

9、电路如图后，电荷放大器等效电路如图5-75-7所所示。它由一个反馈电容示。它由一个反馈电容CfCf和高增益运算放人器构成，图中和高增益运算放人器构成，图中A A为运算放大器，它的增益为为运算放大器，它的增益为K K。RfRf的作用是为了稳定直流工的作用是为了稳定直流工作点，减小零点漂移，一般取作点，减小零点漂移，一般取Rf Rf 10109 9 。由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，当工作频率足够高时时，当工作频率足够高时时，1/Rf 1/Rf 1K1（通常（通常K=104K=104106106），满足（），满足（1+K1+K

10、）Cf10Cf10（Ca+Cc+CiCa+Cc+Ci）时就可将上式近似为）时就可将上式近似为cffOUCqU由此可见：由此可见：1 1）放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷）放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷q q只对反馈电容只对反馈电容CfCf充电，充电电压充电，充电电压UCfUCf（反馈电容两端的电（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。压）接近于放大器的输出电压。2 2）电荷放大器的输出电压）电荷放大器的输出电压UOUO，与电缆电容，与电缆电容CcCc无关，而无关，而与与q q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于q q与

11、被测压与被测压力成线性关系，因此，输出电压与被测压力成线性关系。力成线性关系，因此，输出电压与被测压力成线性关系。 电压放大器的原理及等效电路如图电压放大器的原理及等效电路如图5-85-8所示，其中所示，其中UiUi为放大器输为放大器输入电压。将图中的入电压。将图中的RaRa，RiRi并联成为等效电阻并联成为等效电阻R R，将，将CCCC与与CiCi并联为并联为等效电容等效电容C C，于是有，于是有iaiaRRRRRicCCC如果压电元件受正弦力的作用，则所产生的电荷为如果压电元件受正弦力的作用，则所产生的电荷为tdFdfqmsin对应的电压为对应的电压为 tUtCdFCqumamasinsi

12、n式中，式中，dd压电系数；压电系数；ammCdFU 压电元件输出电压的幅值压电元件输出电压的幅值 由此可得放大器输入端的电压由此可得放大器输入端的电压UiUi的复数形式的复数形式)(1)(1icaaiCCCRjRjFdCCRjRjFdU于是可得放大器输入电压的幅值于是可得放大器输入电压的幅值UimUim为为)(122icamimCCCRRdFU输入电压与作用力间的相位差为输入电压与作用力间的相位差为)(arctan2icaCCCR可得放大器的输入电压幅值为可得放大器的输入电压幅值为icamimCCCdFUicamimCCCdFU上式表明：上式表明： 理想情况下，前置放大器输人电压与频率无关。

13、理想情况下，前置放大器输人电压与频率无关。为了扩为了扩展频带的低频段，必须提高同路的时间常数展频带的低频段，必须提高同路的时间常数R R（Ca+Cc+CiCa+Cc+Ci）。如果单靠增大测量回路电容量的方法将影）。如果单靠增大测量回路电容量的方法将影响传感器的灵敏度，因此常采用响传感器的灵敏度，因此常采用RiRi很大的前置放大器。很大的前置放大器。 般认为般认为 / / 1 133时就可认为时就可认为UimUim与与 无关，这也表明压电无关，这也表明压电传感器有很好的高频响应特性，但当作用力为静态力（即传感器有很好的高频响应特性，但当作用力为静态力（即 =0=0）时，前置放大器的输入电压为时，

14、前置放大器的输入电压为0 0，电荷会通过放大器输入电阻，电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，实际上外力作用于压电材料上产生和传感器本身漏电阻漏掉，实际上外力作用于压电材料上产生电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，但这实际上是不可能的，因此，压电式传感限大的输入阻抗，但这实际上是不可能的，因此，压电式传感器不能用于测量静态量。压电材料在交变力的作用下，电荷可器不能用于测量静态量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适合于动态测量。以不断补充，以供给测量回路一定的

15、电流，故适合于动态测量。 由于压电元件的可逆特性，因此压电式传感器是一种典由于压电元件的可逆特性，因此压电式传感器是一种典型的型的“双向传感器双向传感器”。 它具有它具有结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等特点。噪比高等特点。 在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测最在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测最终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广泛应用了压电式传感器

16、。泛应用了压电式传感器。 由于压电式传感器是一个典型的机由于压电式传感器是一个典型的机电转换元件，它电转换元件，它在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、压在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、压电引信、煤气点火具等方面的应用已很普遍。电引信、煤气点火具等方面的应用已很普遍。例如，例如，利用正压电效应已研制有压电电源、煤气炉和汽车发动利用正压电效应已研制有压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种压电发生器。机的自动点火装置等多种压电发生器。利用逆压电效应可以制成超声波发生器和压电扬声器，利用逆压电效应可以制成超声波发生器和压电扬声器，利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电

17、线性加速度利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器和声纳等。计、压电变压器和声纳等。下面介绍了几个压电式传感器的下面介绍了几个压电式传感器的应用实例应用实例。 压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成。、基座和外壳组成。 测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因而质量块的质量相对较小，

18、可以认为质量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力度方向相反的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即质量块有一个正比于加速度的交变力作是加速度的函数，即质量块有一个正比于加速度的交变力作用于压电片上用于压电片上: : f = maf = ma madfdq1111 因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。输出电量由传感器的输出端引出，输入到前置放大器后就可以输出电量由传感器的输出

19、端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度。如要测量试件的振动速用普通的测量仪器测出试件的加速度。如要测量试件的振动速度或位移，可考虑在放大器后加入适当的积分电路。度或位移，可考虑在放大器后加入适当的积分电路。 BS-D2BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。玻

20、璃出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。柜台保管等场合。 BS-D2BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形如图压电式玻璃破碎传感器的外形如图5-105-10（a a）所示，）所示，其内部结构如图其内部结构如图5-105-10（b b）所示。传感器的最小输出电压为）所示。传感器的最小输出电压为100 mV100 mV，最大输出电压为，最大输出电压为100V100V，内阻抗为，内阻抗为15 k15 k20 k20 k。 报警器的电路原理框图如图报警器的电路原理框图如图

21、5-115-11所示。使用时把传感器贴所示。使用时把传感器贴在玻璃上，然后通过电缆和在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。报警电路相连。 在制造业广泛存在加工零件的表面粗糙度测量，图在制造业广泛存在加工零件的表面粗糙度测量，图5-125-12是是表面粗糙度测试仪的工作原理示意图，表面粗糙度测试仪的工作原理示意图，当表面较粗糙时，零件的表面就不太平整，当表面较粗糙时，零件的表面就不太平整，当触针在零件表面移动时，会使压电晶体产生压电效应，当触针在零件表面移动时，会使压电晶体产生压电效应，输出电信号，输出电信号，通过对电信号幅值的分析，就可以知道零件的表面粗糙度通过对电信号幅值的分析，就可以知道零

22、件的表面粗糙度。 根据压电效应，压电式传感器可以直接用于实现根据压电效应，压电式传感器可以直接用于实现力力电电转换，影响这种转换，影响这种转换效果转换效果的主要因素包括：的主要因素包括： 压电材料的选取、变形方式、机械上串联或并联的晶压电材料的选取、变形方式、机械上串联或并联的晶片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。压电元件的压电元件的变形方式变形方式以利用纵向压电效应的厚度变形最以利用纵向压电效应的厚度变形最为方便；为方便；压电压电材料的选择材料的选择取决于待测力的量值大小（数量级）、取决于待测力的量值大小（数量级）、对测量误差的要求、工作环境温度等；对

23、测量误差的要求、工作环境温度等；晶片数目晶片数目的选取通常是使用机械串联、电气并联的两片的选取通常是使用机械串联、电气并联的两片压电片，因为机械上串联数目过多会导致传感器抗侧向干压电片，因为机械上串联数目过多会导致传感器抗侧向干扰能力的降低，而机械上并联的片数增多会导致对传感器扰能力的降低，而机械上并联的片数增多会导致对传感器加工精度的要求过高，并给安装带来困难，而传感器的电加工精度的要求过高，并给安装带来困难，而传感器的电压输出灵敏度并不增大压输出灵敏度并不增大 压电式单向测力传感器的结构如压电式单向测力传感器的结构如图图5-135-13所示。它主要由所示。它主要由石英晶片、绝石英晶片、绝缘

24、套、电极、上盖和基座缘套、电极、上盖和基座等组成。等组成。传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.10.5mm0.5mm， 当受外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到石英晶片上，石英晶当受外力作用时，它将产生弹性形变，将力传递到石英晶片上，石英晶片采用片采用xyxy切型，利用其纵向压电效应，通过切型，利用其纵向压电效应，通过d d11 11实现力实现力电转换。电转换。绝缘套用于绝缘和定位。绝缘套用于绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖以及晶片、电极的上下底面的基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖以及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度

25、都有极严格的要求。平行度与表面光洁度都有极严格的要求。石英晶片的尺寸为石英晶片的尺寸为881mm1mm。该传感器的测力范围是。该传感器的测力范围是0 050 N50 N，最小分，最小分辨率为辨率为0.01 N0.01 N，绝缘阻抗为，绝缘阻抗为2 2 l l014n014n固有频率为固有频率为505060 kHz60 kHz，非线性误，非线性误差小于差小于+1+1，整个传感器重为，整个传感器重为10g10g。图图5-145-14是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量剧烈的载荷。由于压电陶瓷元件的自振频率

26、高，特别适合测量剧烈的载荷。图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方，图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，传感器将其转换为电信号输出，传感器将其转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 铁路、公路桥梁的桥墩检测对保证交通安全非常重要。铁路、公路桥梁的桥墩检测对保证交通安全非常重要。但是桥墩水下和地表以下部位的缺陷一般很难直接发现，但是桥墩水下和地表以下部位的缺陷一般很难直接发现，那么可以放置一水箱于桥墩之上，通过在水箱中用放电那么可以放置一水箱于桥

27、墩之上，通过在水箱中用放电炮的方式，使桥墩承受一垂直方向的激励，用压电加速炮的方式，使桥墩承受一垂直方向的激励，用压电加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行阻度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行阻抗变换和适调放大后送入数据记录仪，再将记录下的信抗变换和适调放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号进行频谱分析，就可以准确判定桥墩甚至是堤坝等大号进行频谱分析，就可以准确判定桥墩甚至是堤坝等大型建筑的内部缺陷。型建筑的内部缺陷。 1压电式传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应工作的。某些压电式传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应工作的。某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压

28、力和拉力而使之变形时，内部电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。反之，在电们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩

29、效应）。（电致伸缩效应）。 2目前应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类。第目前应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类。第类类是压电晶体，如石英晶体等；第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如是压电晶体，如石英晶体等；第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；第三类是高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯钛酸钡、锆钛酸铅等；第三类是高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯（PVF2）等。石英晶体的缺点是压电常数较小，因此，它大多只用在）等。石英晶体的缺点是压电常数较小，因此，它大多只用在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中。而在一般要标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中

30、。而在一般要求测量用的压电式传感器中，基本上采用压电陶瓷。求测量用的压电式传感器中，基本上采用压电陶瓷。 3压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。为了更厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。为了更进一步分析和更有效地使用压电元件，有必要引入压电元件的等效电进一步分析和更有效地使用压电元件，有必要引入压电元件的等效电路，通常分为电荷等效电路和电压等效电路。由于压电式传感器本身路，通常分为电荷等效电路和电压等效电路。由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能

31、量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个的内阻抗很高，输出能量较小，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。压电式传感器不能用于测量静态量。压电高输入阻抗的前置放大器。压电式传感器不能用于测量静态量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适合于动态测量。电流，故适合于动态测量。 4由于压电元件的可逆特性，因此压电式传感器是一种典型的由于压电元件的可逆特性，因此压电式传感器是一种典型的“双双向传感器向传感器”。它具有结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信。它具有结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等特点。在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测噪比高等特点。在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测最终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。最终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广泛应用了压电式传感器。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广泛应用了压电式传感器。 5介绍了部分压电式传感器的型号、性能指标、适用范围以及典型介绍了部分压电式传感器的型号、性能指标、适用范围以及典型压电式传感器的应用，以供参考。压电式传感器的应用，以供参考。