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1、,第4章 压电式传感器,4.1 压电传感器工作原理 4.2 压电传感器测量电路 4.3 压电传感器的应用,下一页,返 回,压电式传感器是一种典型的有源传感器; 压电效应具有可逆性，也是一种典型的”双向传感器”。 它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电如目的。 特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。 应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。,上一页,下一页,返 回,4.1 压电式传感器的工作原理,某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化
2、现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。,上一页,下一页,返 回,什么是压电效应,常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。,4.1.1 石英晶体的压电效应,X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。,“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z
3、轴）方向时则不产生压电效应。,上一页,下一页,返 回,晶体切片,当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷,dxx压电系数（C/N）,作用力是沿着机械轴方向 电荷仍在与X轴垂直的平面,上一页,下一页,返 回,此时，,石英晶体晶格的对称性,晶体受到x方向的压力Fx作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。 在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx与作用力Fx成正比，即 qx=dxx Fx dxx-压电系数，脚标中第一个x表示电荷平面的法线方向，第二个x表示作用力的方向。当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体的dxx=2.3110-12C/N qx-垂直于X轴平面
4、上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力。 电荷qx的符号表示受压力还是受拉力； 切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比,上一页,下一页,返 回,若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 qy=dxy(L/h)Fy qy-垂直于x轴平面上的电荷 Fy-沿y轴方向施加的作用力 L、h-晶体切片的长度、厚度 dxy横向压电系数，脚标中第1个x表示电荷平面的法线方向，第2 个脚标y表示作用力的方向，其大小为dxy一dxx，它体现了石 英晶体晶格的对称性。 沿机械轴方向作用力在晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸有关 沿y轴作用力所产生的电
5、荷极性与沿x轴作用力所产生的电荷极性是相反的,上一页,下一页,返 回,当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即dxz=0,上一页,下一页,返 回,石英晶体的压电效应,石英晶体的特性与其内部分子结构有关。一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。,上一页,下一页,返 回,未受外力作用时：正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3，如图（a）。 由于P=ql，q为电荷量，l为正负电荷之间的距离。此时： P1+
6、P2+P3=0：所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 当石英晶体受x轴向压力Fx作用：如图 (b) ，P1减小，P2、P3增大 (P1十P2十P3)x0：垂直于x轴正向的晶体表面上出现正电荷，其相对面上出现等量负电荷。 (P1十P2十P3)y0、(Pl十P2十P3）z0：垂直于y轴和 z轴的晶体表面上不出现电荷。 当石英晶体受y轴向压力F y作用：如图(c) ，P1增大，P2、P3减小 (P1十P2十P3)x0：垂直于x轴正向 的晶体表面上出现负电荷，其相对面上出现等量正电荷。 (P1十P2十P3)y0、(Pl十P2十P3）z0：垂直于y轴和 z轴的晶体表面上不出现电荷。 当石英晶体受z轴向力作
7、用：因z轴向力与片内离子平面xy垂直，故不会引起离子在xy平面上位移， P1+P2+P3=0 ，晶体表面不会出现电荷。,上一页,下一页,返 回,4.1.2 压电陶瓷的压电效应,人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。,上一页,下一页,返 回,具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构，在末极化之前各电畴的极化方向在晶体内杂乱分布，如图 (a)所示，极化强度相互抵消为0，对外呈中性，不具备压电效应。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须对压电陶瓷进行极化处理，即对其施加一定电压的直流电场，使晶体内各电畴的极化方向发生转动，经23小时后，各电畴极化方向趋于外电场方向，从而实现极化处理。极化处理后，当外电场
8、去掉时，晶体内还存在着很强的剩余极化强度，晶体表面不出现电荷，仍保持电中性 状态，但此时已具有足够强的压电效应特性。,陶瓷片压电效应,经极化处理后的压电陶瓷，当受到外来与极化方向相同的均匀分布力作用 时，在晶体两个镀银的极化面(与极化方向垂直的面)上出现大小相等、极性相反 的电荷，即产生压电效应。 纵向压电效应：在z轴方向(极化方向)作用力Fz下所产生的压电效应。 当作用力Fz方向改变时，压电效应所产生的电荷极性也跟着改变，电荷量大小 qzzdzzFz dzz纵向压电系数，脚标中第1个z表示电荷平面的法线方向(极化 方向)，第2个脚标z表示作用力的方向。 横向压电效应：在垂直于z轴方向作用力F
9、x或Fy下所产生的压电效应。 由于z轴(极化方向）是压电陶瓷晶体的对称轴， 垂直于z轴的x轴和y袖是互易的，即沿x轴和y轴方向作用力所引起的横向压电效应是相同的。 电荷极性决定于作用力的方向，其 电荷量大小由下式确定： dzxdzy横向压电系数，脚标中第1个z表示电荷平面(极化面)的法 线方向(极化方向)，第2个脚标x或y表示作用力的方向。 S1被极化的面积，S2受均匀分布力的面积。,上一页,下一页,返 回,4.2 压电传感器测量电路,4.2.1 压电元件及其等效电路 4.2.2 电压输出型测量电路 4.2.3 电荷输出型测量电路,上一页,下一页,返 回,4.2.1 压电元件及其等效电路,上一
10、页,下一页,返 回,以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。,1 串联输出型压电元件,结论：串联输出型压电元件的输出电压等于各片电压之和，可等效为电压输出型的电压源。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。,上一页,下一页,返 回,2 并联输出型压电元件,结论：并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和，可等效为电荷输出型的电荷源。适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。,上一页,下一页,返 回,压电式传感器的信号调节
11、电路,压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。 测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用: 把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,上一页,下一页,返 回,4.2.2 电压输出型测量电路,上一页,下一页,返 回,串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗。,电压输出型测量电路原理图,（1）电压放大器
12、,Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容,上一页,下一页,返 回,等效电阻:,压电元件的力 F=Fmsint 压电元件的压电系数为d，产生的电荷为Q = dF。,其幅值:,上一页,下一页,返 回,等效电容:,放大器的输入电压:,当R(C+Ca)1时,上式简化为:,上一页,下一页,返 回,结论: 1. 放大器的输入Uim与作用力F的频率无关，因此具有较好的高频响应特性； 2. 当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 3. 改变压电传感器的引线电缆长度时，其电缆
13、电容Cc的变化将引起放大器输入信号Uim的变化。因此在测量中通常电缆长度需固定（Cc为常数），否则会产生测量误差。 4. 电压灵敏度Ku 即灵敏度与电路电容大小成反比关系，所以一般要求放大器的内阻Ri增大（电容C降低），则满足R(C+Ca)1的条件，并且传感器有较好的低频响应，从而提高了灵敏度,传感器的低频响应范围,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。 但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器
14、本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。,上一页,下一页,返 回,电压放大器应用限制,压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。,上一页,下一页,返 回,解决电缆问题的办法,将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。,上一页,下一页,返 回,压电式加速度
15、传感器,压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。,4.2.3 电荷输出型测量电路,上一页,下一页,返 回,并联输出型压电元件可以等效为电荷源。由于压电效应产生的电荷量很小，达到级电流。因此在接成电荷输出型测量电路时，也要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且还需要有极高的输入阻抗。,电荷输出型测量电路原理图,放大器Uo输出分析,其中：Qi放大器输入电荷 Q 传感器的电荷（q） Qf放大器反馈电荷,当,上一页,下
16、一页,返 回,忽略Ra、Ri、RF的分流作用，则输入电荷：,由此可得:,时，即A1：,上一页,下一页,返 回,结论: 1. 放大器的输出Uo正比于信号Q，线性转换； 2. 灵敏度 其大小取决于反馈电容CF的大小； 3. 与电压放大器不同，电缆电容Cc与放大器输入电容Ci不会对输出Uo产生影响，故电缆引线长度变化不会带来测量误差。,压电式传感器另一种专用的前置放大器。 能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。 使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长
17、度无关。,上一页,下一页,返 回,4.3 压电传感器的应用,上一页,下一页,返 回,4.3.1 压电式力传感器 4.3.2 压电式压力传感器 4.3.3 压电式加速度传感器 4.3.4 压电传感器的应用实例,测试原理,上一页,下一页,返 回,压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用力的大小和方向。由此可见，压电传感器可以直接用于测力，或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,4.3.1 压电式
18、力传感器,压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 电转换的传感器。 变形方式：利用纵向压电效应的TE方式（厚度变形）最 简便。 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。 晶片数目：在拉、压场合,通常采用双片或多片石英晶体作压电元件，可以使传感器的电荷输出灵敏度增大一倍。,上一页,下一页,返 回,单向压电式测力传感器,压电式单向测力传感器,上一页,下一页,返 回,压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片， 实现力与电的转换; 上盖为传力元件，受力后产生弹性变形，将作用力传递到压电元件上 聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位，基座作为支承及外壳，其内外表面与晶片
19、、电极、上盖内表面的平行度和表面光洁度都有极严格的要求。 优点：体积小、质量轻(约10g)，固有频率高(约50一60kH z)，最大可测动态力105N，最小分辨率可达1g以下。,4.3.2 压电式压力传感器,膜片式压电压力传感器,上一页,返 回,压电元件为两片纵向电效应石英品片，具有良好的线件度和长时间稳定性； 作用到受压膜片上的压力，通过传力块作用到压电元件上， 使晶片产生厚度变形； 传力块和电极片一般采用不锈钢制作，以确保压力能均匀、快速、无损耗地传递到压电元件上； 外壳和机座应有足够机械刚度，机座和传力块与晶片的接触面要有良好的平行度和光洁度。 优点：有较高灵敏度和分辨率，测压范围宽。,
20、4.3.3 压电式加速度传感器,上一页,下一页,返 回,压电式加速度传感器是最常用的一种加速度计，在各种测振传感器中，压电式加速度传感器约占80。 主要优点： 固有频率高 高频(几十千赫)和低频 (0.3Hz)性能都好 体积小、质量轻、便于集成,上一页,下一页,返 回,1 工作原理,按结构分： 基于纵向压电效应的压缩型 基于减切效应的减切型 组合结构的复合型,上一页,下一页,返 回,结构说明 压电元件：一般由两片压电晶体或压电陶瓷织成； 质量块：放置在压电元件上，接触面须平整 光沽； 锁定弹簧(或螺帽)：应有足够的刚度，用以对质量块施加预压缩载荷； 加厚基座和金属外壳：用以避免压电元件受其它应
21、力影响而产生假信号输出。 压电元件的极化表面镀银，引出线焊接在镀银层上，或通过电极金属片引出；另一根引出线可直接与金属基座相连。,压缩型结构原理图,上一页,下一页,返 回,测量原理 振动测量时，由于传感器基座与被测振体刚性固定在一起，传感器直接感受振体的振动。由于传感器内锁定弹簧刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块本身的惯性很小；因此，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。 压电元件随振动上移时：质量块产生的惯性力使压电元件上的压力增加； 压电元件随振动下移时：质量块产生的惯性力使压电元件上的压力减小。 结论：质量块对压电元件的惯性力， 相当于一
22、个正比于振动加速度的交变力作用在压电元件上，使压电元件产生正比于此作用力的压电效应，亦即压电效应输出的电荷(或电压)正比于振动的加速度。,上一页,下一页,返 回,2 灵敏度,定义：压电效应所产生的输出量与输入量的比值。,电荷灵敏度Kq和电压灵敏度Ku分别为：,结论：灵敏度与压电系数d成正比，与质量m成正比。 增加质量：影响被测体振动状态 灵敏废的提高方法：选择压电系数大的材料作压电元件，一般采用压电陶瓷作压电元件。,上一页,下一页,返 回,3 集成压电式加速度传感器,集成压电式加速度传感器,集成压电式加速度传感器集压电元件和专用放大器于一体。 阻抗变换器：超小型静电放大器，它与压电元件之间的连
23、线极短，引线电容几乎为0，对传感器灵敏度不产生影响。 优点：输出电压高(可达几伏)、输出阻抗低，可以用普通同轴电缆输出信号，而不必接附加放大器，可自接与示波器、记录仪或普通指示表相连。,4.3.4 压电传感器的应用实例,一、高分子压电材料的应用,1. 玻璃打碎报警装置 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时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将
24、其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,压电传感器只能应用于动态测量,由于外力作用在压电元件上产生的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，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。,2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）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十
25、米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,3.交通监测,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。,高分子压电电缆的应用演示,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5cm，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。,二、压电陶瓷传感器的应用,压电片的并联接法,压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。,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,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,