最新压电式传感器 (2)幻灯片.ppt

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1、压电式传感器压电式传感器 (2)7/6/20222一、压电效应一、压电效应正压电效应：正压电效应： 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 去掉外力后，电荷消失，状态复原去掉外力后，电荷消失，状态复原 作用力相反，电荷极性也发生变化作用力相反，电荷极性也发生变化逆压电效应（电致伸缩效应）：逆压电效应（电致伸缩效应）： 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。生形变。压电元件压电元件机械量机械量电量电量7/6/20229xyzxFxFyFyF11xxQd F abc11yyaQd

2、Fb zFzF0zQ 纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应无压电效应无压电效应压电系数压电系数光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴电荷电荷Qx和和Qy的符的符号由受拉力还是号由受拉力还是受压力决定受压力决定7/6/202210正常情况下石正常情况下石英体中正负电英体中正负电荷处于平衡，荷处于平衡，外部呈中性。外部呈中性。不受力不受力yx晶体在晶体在x方向受力方向受力晶体在晶体在y方向受力方向受力正负电荷产生移动，出现带电现象。正负电荷产生移动，出现带电现象。FyFyFxFx石英晶体压电模型石英晶体压电模型yx7/6/202211P1P2P3当石英晶体未受当石英晶体未受外力作用时外力作用时,

3、 正、正、负离子正好分布负离子正好分布在正六边形的顶在正六边形的顶角上角上, 形成三个形成三个互成互成120夹角夹角的电偶极矩的电偶极矩P1、P2、P3。 如图如图 所示。所示。xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型7/6/202212P1P2P3当石英晶体受当石英晶体受到沿到沿x轴方向的轴方向的压力作用时压力作用时, 晶晶体沿体沿x方向将产方向将产生压缩变形生压缩变形, 正正负离子的相对负离子的相对位置也随之变位置也随之变动。动。xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型7/6/202213P1P2P3此时正负电荷此时正负电荷重心不再重合重心不再重合, 电偶极矩在电偶极矩在x方向上的分量方向上的分量

4、由于由于P1的减小的减小和和P2、P3的增的增加而不等于零加而不等于零xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型7/6/202214P1P2P3- - - - - - + + + + + + xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型在在x轴的正方轴的正方向出现正电荷向出现正电荷, 电偶极矩在电偶极矩在y方向上的分量方向上的分量仍为零仍为零, 不出不出现电荷。现电荷。7/6/202215P1P2P3xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型- - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + +7/6/202216P1P2P3xy当晶体受到当晶体受到沿沿y轴方向的轴方向的压

5、力作用时压力作用时, 晶体的变形晶体的变形如图所示如图所示石英晶体压电模型石英晶体压电模型7/6/202217P1P2P3xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型 - - - - -+ + + + +7/6/202218P1P2P3- - - - - - - - -+ + + + + + + +xyP1增大增大, P2、P3 减小。减小。 在在x轴上出现电轴上出现电荷荷, 它的极性它的极性为为x轴正向为轴正向为负电荷。负电荷。 在在y轴 方 向 上 不轴 方 向 上 不出现电荷。出现电荷。石英晶体压电模型石英晶体压电模型7/6/202219n当作用力当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性的方向

6、相反时，电荷的极性也随之改变，输出电压的频率与动态力的频也随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。率相同。n当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。电而很快泄漏、消失。n如果沿如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在轴方向施加作用力，因为晶体在x方方向和向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。压电效应。石英晶体压电模型石英晶体压电模型7/6

7、/202220 2、压电陶瓷压电陶瓷 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。 材料内部材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向它有一定的极化方向, 从而从而存在电场。存在电场。 在无外电场作用时在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极它们的极化效应被相互抵消化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。不具有压电性质。7/6/202221压电陶瓷及其换能器外形压电陶瓷及其换能器外形 7/6/2022

8、22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7/6/202223压电陶瓷压电陶瓷极化处理后的人工多晶铁电体极化处理后的人工多晶铁电体极化前极化前电畴无序排列电畴无序排列极化时极化时电畴有序排列电畴有序排列极化后极化后电畴基本有序电畴基本有序7/6/202224在陶瓷上施加外电场时在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动电畴的极化方向发生转动, 趋向于趋向于按外电场方向的排列按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。从而使材料得到极化。外电场愈强外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度

9、让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。外电场去掉后外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度即剩余极化强度很大很大, 这时的材料才具有压电特性。这时的材料才具有压电特性。 压电陶瓷压电陶瓷7/6/202225当陶瓷材料（当陶瓷材料（剩余极化很强剩余极化很强）受到外力作用时）受到外力作用时, 电畴的界限电畴的界限发生移动发生移动, 电畴发生偏转电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化从而引起剩余极化强度的变化, 因而因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化

10、。在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。电荷量的大小与外力成正比关系电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F 式中式中: d33 压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数; F作用力。作用力。压电陶瓷的正压电效应：压电陶瓷的正压电效应：7/6/202226n压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。n极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关度有关, 它的参数也随时间变化它的参数也随时间变化,

11、 从而使其压电特性减弱。从而使其压电特性减弱。n目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系）组成，有较高的压电系数和较高的工作温度。数和较高的工作温度。7/6/202227 3、新型压电材料、新型压电材料压电聚合物压电聚合物PVDFPVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏二氟乙烯。二氟乙烯。1969年由日本学者年由日本学者Kawai首先发现，具有很强首先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元

12、的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。等应用，在生物医学领域广泛应用。优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。7/6/202228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 7/6/202229三、压电

13、式传感器三、压电式传感器1、概述、概述 压电式传感器的基本原理是利用压电材料压电式传感器的基本原理是利用压电材料的的压电效应压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传，即当施加力作用在压电材料上，传感器就有电荷（或电压）输出。感器就有电荷（或电压）输出。 电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。只有在交变力。只有在交变力的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量回路能量，故回路能

14、量，故适于动态测量适于动态测量（一般必须高于（一般必须高于100Hz，但在，但在50kHz以上时，灵敏度下降）以上时，灵敏度下降） 。7/6/202230dACa2、等效电路、等效电路e压电陶瓷或石英晶体的介电常数压电陶瓷或石英晶体的介电常数A极板面积极板面积d压电元件厚度压电元件厚度 压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电容量为：

15、容量为： 7/6/202231当受外力作用时，产生电荷当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效：电荷等效：Q QC Ca aU Ua a电压等效：电压等效：aaCQu7/6/202232 实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容Ce、放大器的输入电阻、放大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci以及传感器以及传感器的泄漏电阻的泄漏电阻Ra。 实际等效电路如图所示实际等效电路如图所示:7/6/2022333、压电元件的连接压电元件的连接多片压电元件的组合多片压电元件的组合 单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传感器输出灵

16、敏度，在实际应用中常采用两片或以上感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性因素，其连接法分为串联和并联两种。因素，其连接法分为串联和并联两种。7/6/202234 1）串联）串联QQnUUnCCeee 串联使压电传感器串联使压电传感器时间常数时间常数减小，减小，电压灵敏度电压灵敏度增大，适合于电压输出、高增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。频信号测量场合。2）并联）并联nQQUUnCCeee 并联使压电传感器并联使压电传感器时间常数时间常数增大，增大，电荷灵敏度电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低增大

17、，适合于电荷输出、低频信号测量场合。频信号测量场合。 7/6/2022354、压电元件的分类压电元件的分类按受力和形变方式按受力和形变方式 在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此，的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此，在测量时需要加入预加力在测量时需要加入预加力预载预载。这样，不仅消除压力使。这样，不仅消除压力使用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。在测量拉力、拉压交变力及剪力和扭矩时必须给高刚度。在

18、测量拉力、拉压交变力及剪力和扭矩时必须给压电传感器施加预载。压电传感器施加预载。厚度变形厚度变形 长度变形长度变形 体积变形体积变形 厚度剪切变形厚度剪切变形 5、预载预载7/6/202236四、测量电路四、测量电路 压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。前置放大器。 其作用为：其作用为： 将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗；将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗； 放大传感器输出的微弱信号。放大传感器输出的微弱信号。7/6/2022371、电压放大器电压放大器

19、阻抗变换器阻抗变换器图中图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ce+Ci，Ua=q/Ca7/6/202238当受正弦力当受正弦力fFmsint 作用时：作用时：tUtCdFUmamasinsin压电元件输出电压：压电元件输出电压：放大器输入端电压为：放大器输入端电压为：tCCRjRjdFUamisin1放大器输入端电压幅值为：放大器输入端电压幅值为： ieamimCCCRRdFU2217/6/202239理想情况下理想情况下，传感器电阻，传感器电阻Ra和放大器输入电阻和放大器输入电阻Ri都都为无限大，即为无限大，即(Ca+Ce+Ci)R1，此时输入电压，此时输入电压幅值幅值Uim为：为：iea

20、mimCCCdFU放大器输入电压放大器输入电压Uim与频率无关。与频率无关。实际应用中实际应用中，当，当/03时，就可认为以上式成立。时，就可认为以上式成立。RCCCiea110注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。7/6/2022402、电荷放大器电荷放大器图中图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分流，故可略去流，故可略去R。7/6/202241根据运算

21、放大器的基本特性，可求出电荷放大器根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器得输出电压：得输出电压：fieaoCACCCAqU1通常通常A=104108，当有（，当有（1A）CfCa+Ce+Ci时，时，上式变为：上式变为：foCqU电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷只与输入电荷q（成正比）（成正比）和反馈电容和反馈电容Cf（100104pF）有关，而与电缆电容）有关，而与电缆电容Ce无关无关 7/6/202242n石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器n广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电子、电子游戏机等领域五、应用五、

22、应用7/6/202243压电式动态力传感器以及在车床中用于压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量动态切削力的测量 7/6/202244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7/6/202245高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭7/6/202246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 7/6/202247将高分子压电测振将高分子压电测振薄膜粘贴在

23、玻璃上，薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，碎时会发出的振动，并将电压信号传送并将电压信号传送给集中报警系统。给集中报警系统。 粘贴粘贴位置位置玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置7/6/202248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质量块质量块 将厚约将厚约0.2mm左右的左右的PVDF薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小。在它大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。膜覆盖。 使用时，

24、用瞬干胶将其粘使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷动，表面产生电荷Q，在两个输，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。出引脚之间产生窄脉冲报警信号。7/6/202249压电式周界报警系统压电式周界报警系统（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） 将长的压电电缆埋在将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内作用，可在几十米范围内探测人的步行探测人的步行, 对轮式或

25、履对轮式或履带式车辆也可以通过信号带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。为测量系统的输出波形。7/6/202250交通监测交通监测 将压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴将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）、车速监测、收费站地磅、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、交通数据信息采集（道路监闯红灯拍照、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。控）及机场滑行道等。7/6/202251压电加速度传感器的安装及使用压电加速度传感器的安装及使用

26、a)双头螺丝固定双头螺丝固定 b)磁铁吸附磁铁吸附 c)胶水粘结胶水粘结d)手持探针式手持探针式 1压电式加速度传感器压电式加速度传感器 2双头螺栓双头螺栓 3磁钢磁钢 4粘接剂粘接剂 5顶针顶针 7/6/202252汽车爆震波形汽车爆震波形 汽车发动机中的气缸点火时汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会

27、大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。电传感器检测并控制之。 7/6/202253汽车爆震测量汽车爆震测量安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。 7/6/202254 地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移

28、地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。 海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地

29、面站。到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。海啸预警系统海啸预警系统7/6/202255地震波检测地震波检测 7/6/202256气象接收及气象接收及发射天线发射天线振动压力振动压力传感器传感器6000m海底海底浮标浮标深海地沟深海地沟7/6/202257本节小结：本节小结：n什么是压电式传感器及其工作原理？什么是压电式传感器及其工作原理？n什么是压电效应？什么是压电效应？n压电材料有几类，其主要特性参数？压电材料有几类，其主要特性参数？n石英晶体结构？其对应方向轴名称及特性？石英晶体结构？其对应方向轴名称及特性？n简述石英晶体压电模型？简述石英晶体压电模型？n压电陶瓷工作原理？压电陶瓷工作原理？n用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗？用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗？n为什么压电式传感器多采用电荷放大器？为什么压电式传感器多采用电荷放大器？n压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？7/6/202258结束