第六章压电传感器.ppt

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1、第六章 压电传感器,压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。当材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,第一节 压电式传感器的工作原理,一、压电效应 二、压电材料 三、压电机理,一、压电效应演示,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

2、态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,压电效应,某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“压电效应”。 在电介质的极化方向上施加交变电场或电压，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形也随之消失，这种现象称为 “逆压电效应”（电致伸缩效应）。,二、压电材料,具有压电效应的电介物质称为压电材料。 在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。 石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。,压电晶体（单晶）：它包括压电石英晶体和

3、其它压电单晶； 压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体； 新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。 目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电陶瓷中的钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。, 压电晶体 压电陶瓷 新型压电材料,压电材料可以分为三大类, 压电晶体, 石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。 目前传感器中使用的均是以居里点为573、晶体结构为六角晶系的石英。,石英晶体的外形 （a） 天然石英晶体；（b） 人工石英晶体；（c） 右旋石英晶体的理想外形 m柱面 R大棱面 r小棱面 s棱界面 x棱角面,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路

4、中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,. 压电常数小（压电系数d112.3110-12CN），其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20200内其温度变化率约为2.15106 / ； . 机械强度和品质因数高，固有频率高且十分稳定，动态特性好； . 居里点573，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。 所以石英是制备压电传感器的理想压电材料。 天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。, 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H

5、4N2O6）等，还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。,石英晶体的主要性能特点：,压电陶瓷,压电陶瓷属于铁电体物质，是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PbTiO3PbZrO3）（PZT）、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡压电系数 d3319010-12 CN，但介电常数、机械性能不如石英好。压电陶瓷具有明显的热释电效应。,热释电效应：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化（压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。 用热释电系数来表示该效应的强弱，它是

6、指温度每变化1时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为C/（m2g）。,常用的压电陶瓷材料主要有以下几种： 1）钛酸钡（BaTiO3）具有较高的压电常数（d=19010-12C/N)和相对介电常数（10005000）。但它的居里点较低（约120），机械强度也较低，现已不常用。 2）锆钛酸钡系列压电陶瓷（PZT）由钛酸铅和锆酸铅组成的固体熔体。它有较高的压电常数d=（200500）10-12C/N和居里点（500 左右），是目前经常采用的一种压电材料。 3）铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），具有较高的压电常数d=（800900）10-12C/N和居里点（260 ）它能在压力大致70MPa时正

7、常工作，因此可以作为高压下的力传感器。目前还有一些铌酸盐具有很高的居里点，可以作为高温压电传感器。,压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,新型压电材料, 压电半导体 1963年以来出现了多种压电半导体，如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（GaAs）等。 这些材料的显著特点是即有压电特性，又具有半导体特性。 因此，即可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件；也可以二者结合，集元件与线路于一体，研制成新型压电集成传感器测试系统。,高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2

8、或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。 其中以PVF2和PVDF的压电常数最高。有的材料可比压电陶瓷高几十倍。其输出脉冲电压高到可以直接驱动CMOS集成门电路。 高分子压电材料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。经过极化处理后就显现出压电特性。它不易破碎，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，可以从0.1Hz直至109Hz，测量动态范围可达80dB。,因此在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量、防盗、振动测量等领域中获得应用。它的声阻抗约为0.02MPa/s，与空气的声阻抗有较好的匹配，因而是很有希望的

9、电声材料。例如在它的两侧面施加高电压音频信号时，可以制成特大口径的壁挂式低音喇叭。 高分子压电材料的工作温度一般低于100。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,压电式脚踏报警器,高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应）,压电材料的压电特性常用压电方程来描述： qi= dij j 或 Q = dij F dij 压电常数（CN），（i = 1，2，3，j = 1，2，3，4，5，6）； q 电荷的表面密度（Ccm2）， 单位面积上的作用力，即应力（Ncm2）； Q 总电荷量（C）， F 作用力 （N） 。

10、i 晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂于 x 轴（y 轴或z 轴）时，记为i = 1（2 或3）。 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在垂直于 x 轴、y 轴、z 轴的平面 （即 yz 平面、zx 平面、xy 平面）内作用的剪切力。,三、压电机理,单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还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。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。 压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：,1.石英晶体的压电机理,石英晶体是

11、单晶体结构，属六角晶系，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。共有30个晶面，其中六个m 面（或称柱面），六个R 面（或称大棱面），六个 r 面（或称小棱面），还有六个 s 面（棱界面）和六个 x 面（棱角面）。 天然和人造石英的外形虽有不同，但是两个晶面之间的夹角是相同的。,石英晶体各个方向的特性是不同的。,图6-1表示了天然结构的石英晶体外形，它是六角形晶柱，在晶体学中可以用三根相互垂直的轴来表示。石英晶体各个方向的特性是不同的，其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。,图6-1 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (

12、c) 晶片,可以用金刚石刀具沿与z轴垂直的方向，从图6-1a所示的石英晶体上切割出一块正平行六面体的切片，如图6-1b所示，在进一步从该六面体上切割出正方形薄片，如图6-1c所示，这就是工业中常用的石英晶片。通常把垂直于x轴的表面称为x面，把垂直于y轴的表面称为y面。,图6-1 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形，硅离子的正电荷中心上移，氧原子的负电荷中心下移，正负电荷中心分离，在晶体的x面的后表面产生正电荷，前表面出现负电荷而形成电场。反之如果沿x轴方向受到拉力作用时，情况恰好相反，x面的后表面将产生负电荷，前表面

13、产生正电荷。 如果受到的是交变力，则在x面的前后表面将产生交变电场。如果在x面得前后表面上镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。,同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也产生晶格变形，硅离子的正电荷中心下移，氧原子的负电荷中心上移，在x面的后表面产生负电荷，前表面产生正电荷，这个过程恰好与x轴方向受压力时所产生的电场方向相反。,图6-3晶体切片上电荷极性与受力方向的关系 X轴方向受压力；（b） X轴方向受拉力； (c) Y轴方向受压力； (d) Y轴方向受拉力,从上述分析可知，无论沿x轴方向还是y轴方向施力，电荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶格变化不会引起正负电荷中心的分

14、离，所以不会产生压电效应。 沿x轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应” 沿y轴施加力，而在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应”。,在晶体弹性限度内，在电轴（x轴）方向施加压力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为,(6.1),式中, d11为x方向受力的压电系数。 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加压力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为,(6.2),式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。 由式6.2可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电

15、荷与几何尺寸有关。 电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。,压电陶瓷是人工多晶体（无数微细的单晶组成），它的压电机理与石英晶体不同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。极化处理以前，各电畴任意方向无序排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。此时压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。,未极化 正在极化 极化后,2.压电陶瓷的压电机理,在陶瓷上施加外电场（2030kVcm）时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，从而使材料得到极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当（23h后）外电场撤销，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，存在剩余极

16、化强度。同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端面很快吸附一层来自外界的自由电荷，自由电荷与束缚电荷数值相等、极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力（压力），陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电踌发生偏转，极化强度变小，束缚电荷减少。因此吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。 当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，片内的束缚电荷之间距离变大，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电

17、效应。 放电电荷的多少与外力成正比例关系。即,式中 d33 压电陶瓷的压电系数； F 作用力。,主要特性： （1） 机-电转换性能：应具有较大的压电常数 d。 （2） 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 （3） 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响和减小电荷泄漏并获得良好的低频特性。 （4） 温度和湿度稳定性良好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围。 （5） 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。 居里点：压电材料开始丧失压电性的温度。 1880年法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现了压电效应

18、。,第二节 压电材料的主要特性,当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容器的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电传感器可以看做一个电荷发生器，同时也是一个电容器。其电容量为,S极板面积（压电片面积）； h 压电片厚度； r压电材料的相对介电常数； 0 真空介电常数。,一、压电式传感器的等效电路,第三节 压电式传感器的信号调理电路,对此式可用两种电路来等效压电式传感器： 电压等效电路：一个电压源与一个电容Ca串联构成，此电路输出为,电压源,两极板间的开路电压为,只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如

19、果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RLCa按指数规律放电。,电荷等效电路：电荷源与一个电容Ca并联构成，此电路输出为,此时，该电路被视为一个电荷发生器。,电荷源,压电传感器在实际使用时要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容Cc ，放大器的输入电阻Ri 和输入电容Ci ，以及压电式传感器的泄漏电阻Ra ，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就应如图所示。,压电式传感器的灵敏度有两种表示方式： 电压灵敏度：Ku = UF，它表示单位力所产生的电压； 电荷灵敏度：Kq = QF，它表示单位力所产生的电荷。 它们之间的关系是,电压源等效电路,电荷源等效电路,二、压电元件常

20、用的结构形式,由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。所以压电,传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。 要使单压电晶片表面产生足够的表面电荷需要很大的作用力，所以在实际使用中常把两片或两片以上的压电片组合在一起。图中是几种结构原理图。,叠层式压电组件结构形式,制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并联和串联两种。,（a）并联,（b）串联,并联连接式

21、压电传感器的输出电容和极板上的电荷分别为单块晶体片的2倍，而输出电压与单片上的电压相等。即,串联时，输出总电荷Q 等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为单片的1/2。即,压电片的连接方式,三、压电式传感器的信号调理电路,压电元件实际上可以等效为一个电容器，因此，它也存在着与电容传感器相同的问题，即具有高内阻（Ra1010）和小功率的问题，对于这些问题可以使用转换电路来解决。 为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻RL 要大到一定数值，才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是将

22、它的高阻抗输出变换成低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱信号。 根据前面的等效电路，压电传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,1.电压放大器 2. 电荷放大器,电荷放大器 它能将高内阻的电荷源转换为低电阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，同样起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100 ，优点是在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关。,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。,图6.7 电荷放大器等

23、效电路,（6.7）,电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。而反馈电容Cf小，输出就大，要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。 输出电压与电缆电容无关，要满足 （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci） K为放大器的开环增益.,优点：压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高，特别适合于动态测量。 缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度在250 左

24、右。,第四节 压电式传感器的应用,广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传感器，都可称为压电式传感器，它们已被广泛地应用在工业、军事和民用等领域。,利用正压电效应：在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的有关物理量，例如压力、位移、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。 压电电源（煤气灶和汽车发动机的自动点火装置等电压发生器）。,利用逆压电效应：可制成多种超声波发生器和压电扬声器等。,超声振子,超声清洗机,超声焊接机,超声波加湿器,超声振子,压电扬声器,超声波测距,一、压电式加速度传感器 二、压电式

25、测力传感器 三、微重力压电晶体生物传感器 四、医用电子鼻 五、汽车安全气囊系统 六、压电引信 七、高分子压电电缆在交通监测中的应用 八、高分子压电材料的其它应用,利用正、逆压电效应还可制成晶振、压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。,压电陀螺,声纳,晶振,一、压电式加速度传感器,用于测量加速度的传感器种类很多，压电式加速度传感器是一种最常用的加速度计（80以上）。具有一系列优点：体积小，重量轻，坚实牢固，有较好的频率响应（几千赫几十千赫），如果配以电荷放大器，低频响应也很好（可低至零点几赫），测量范围大（加速度为10-510-4 g，g 为重力加速度 9.8ms2）

26、等。,压电元件（一般由两片压电晶片并联）置于基座上，其上面加一块比重较大的质量块，质量块上用弹簧压紧，从而对压电晶片施加预应力。,因为 F = ma （m 为重块质量，a 为加速度），当传感器选定后，m为常数，所以传感器输出电荷为,Q 与加速度 a 成正比。 因为，压电传感器的输出电压为 ，若传感器中电容量 C 不变，那么 ，因此，可以用电压值表示测量的加速度。,测量加速度时，被测物件与传感器刚性固定在一起，质量块也受加速度的作用产生一个与加速度成正比的惯性力 F 作用于压电元件上，因而产生电荷Q。,二、压电式测力传感器,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

27、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,动画演示,压电式动态力传感器位于车刀前端下方，切削前，虽然车刀紧压在传感器上，压电晶片在压紧的瞬间也曾产生出很大的电荷，但几秒之内电荷就通过电路的泄露电阻中和掉了。切削过程中，车刀在切削力的作用下上下剧烈颤动，将脉动力传递给单向动态力传感器。传感器的电荷变化量由电荷放大器转换成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。,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,三、微

28、重力压电晶体生物传感器,压电材料价廉、简单，且输出电压较大，因而在生物医学领域得到广泛应用。下面介绍一种使用压电晶体的电子微重力测量传感器及其原理。 工业上生产的石英晶体具有很高的纯净度。固有频率十分稳定，且其压电振荡频率主要取决于石英片的厚度。用于电子微重力测量传感器的石英晶片厚度为1015mm、采用“Y ”形切割的剪切模式，该模式可以克服谐振和泛音造成的干扰。因此，石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层的组合质量。例如，现有的商品石英传感器，其表面吸附的被分析物质而引起的谐振频率变化可按下式算出：,式中 f 晶体频率（Hz）； m 晶体吸附的被测物质质量（g）； S 传感器敏感区面积（

29、cm2）。 利用这一原理可对溶液中许多化合物，通过电极上的电解沉淀进行测量。例如可测溶液中的碘化物、铁、铅和铅。该方法当其浓度在10100 mol/L 范围内，有很好的线性关系。,利用电子微重力生物传感器组成的测量系统如图所示。该系统使用了两只传感器，一只是参考传感器 Cr ，另一只是测量用传感器 Ct ，分别连接于振荡回路 Or 和 Ot 中，并分别用频率计数器 FCr 和 FCt 伺服，连接在公用的微机上。这样一套系统可由 f 的测量而换算出 m 的量。此系统可用于生物液体的测量，如监测微生物的生长率等。,四、医用电子鼻,意大利科学家成功研制出一种能“嗅”出肺癌独特气味的“电子鼻”。这种可

30、诊断肺癌的医用电子鼻只要闻一下病人的呼吸，就能判断出他是否患有肺癌。科学家希望，这一成果有助于开发出更简便易行的疾病呼吸检测法。 研究表明，患不同疾病的人所呼出的气体中会出现某些特定成分。如肝硬化患者的呼气中会出现脂肪酸，肾衰竭患者的呼气中含有三甲氨，肝癌患者的呼气中存在烷类和苯的衍生物等。因此，通过分析患者呼出气体的成分，就可进行相应诊断。 目前，科学家通常采用气相色谱分析和质谱测定等方法对气体混合物进行分析，但这些方法复杂、昂贵，难以广泛用于临床诊断，意大利科学家开发的这种电子鼻，则较好地解决了这一难题。,电子鼻主要由气味取样器、石英晶体气体传感器阵列和信号处理系统组成。石英晶体表面涂有一

31、层挥发性不同的有机物。由于石英晶体的振动频率随其重量的变化而变化，当检测样品的分子附着在涂层表面时，石英晶体的振动频率就会改变。阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，例如，一号气体可在某个传感器上产生高响应，而对其它传感器则是低响应，同样，二号气体产生高响应的传感器对一号气体则不敏感，整个传感器阵列对不同气体的响应是不同的，使系统能根据传感器的响应图案来识别气味。,患者呼出的气体被传送到仪器中，传感器迅速识别出气体中的不同物质，并将获得的所有信息传送给计算机。不同患者呼出气体中的成分不同，能使传感器产生每个人特有的总体振动模式，计算机对所获信息进行处理后，便会出示一种独特的“个人身份证

32、”，供医疗人员分析、诊断。 电子鼻技术响应时间短、检测速度快，不需要复杂的预处理过程；其测定评估范围广，并且能避免人为误差，重复性好；还能检测一些人鼻不能够检测的气体，如毒气或一些刺激性气体。除医疗行业以外，它还在许多领域尤其是食品行业发挥着越来越重要的作用。,五、汽车安全气囊系统,安全气囊防护系统（Supplemental Inflatable Restraint System，简称SRS）主要由加速度传感器、微处理器、气体发生器和气囊等主要部件组成。,加速度传感器和微处理器用以判断撞车程度，传递及发送信号；气体发生器根据信号指示产生点火动作，点燃固态燃料并产生气体向气囊充气，使气囊迅速膨胀

33、。气囊装在方向盘毂内紧靠缓冲垫等处，其容量约50至90升不等，做气囊的布料具有很高的抗拉强度，多以尼龙材质制成，折叠起来的表面附有干粉，以防安全气囊粘着在一起在爆发时被冲破；为了防止气体泄漏，气囊内层涂有密封橡胶；同时气囊设有安全阀，当充气过量或囊内压力超过一定值时会自动泄放部分气体，避免将乘客挤压受伤；气囊中所用的气体多是氮气。,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，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，

34、使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。 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。,压电引信大幅度提高了瞬发度（引信碰着目标时作用的迅速性）。破甲弹用机械引信时，从碰着目标到炸药爆炸约需万分之几秒，而用压电引信仅需十万分之几秒。 压电引信既可用于高初速火炮（如加农炮、反坦克炮、坦克炮等），又适用于低初速火炮 （如无坐力炮）及火箭筒和反坦克导弹等。这不仅扩大了反坦克武器的种类和使用范围，而且使破甲威力显著提高。,六、压电引信,压电引信适用于破甲弹，由引信头部（包括引信头、压电陶瓷、电极板、绝缘垫、插销匣等零部件）和引信尾

35、部（包括传爆药、起爆药、电雷管、保险机构、隔离机构等零部件）组成。它因弹头碰击目标而受压力变形时，上下表面能产生电荷和电压。其产生的电量虽有限，但电压非常高（达几千伏），足能使电雷管起爆，从而引爆弹丸，产生聚能金属射流，穿透装甲。,七、高分子压电电缆在交通监测中的应用,将高分子压电电缆埋在公路上，可获取车型分类信息（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。,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。,八、高

36、分子压电材料的其它应用,1)玻璃打碎报警装置 玻璃破碎时会发出几千赫兹至超声波（20KHz）的振动。将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,高分子薄膜厚约0.2mm，用聚偏二氟乙烯（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，也可以用热印制工艺制作铝薄膜电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线，并用保护膜覆盖。,质量块,使用时，用瞬干胶（502等）将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭受暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受剧烈的振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲电压U=Q/Ca, Ca是两电极之间的电容量。

37、脉冲信号经电缆输送到集中报警装置，产生警报信号。 由于感应片很小，且透明，不宜察觉，所以安装于贵重品柜台、展览橱窗、博物馆及家庭等玻璃窗角落处。,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。,屏蔽层接大地，它与电缆芯线之间以PVDF为介质而构成分布电容。当入侵者 踩到电缆上面的柔性地面时，该压电电缆受到挤压，产生压电脉冲，引起警报。通过编码电路，还可以判断入侵者的大致方位。压电电缆可长达数百米，可警戒较大的区域，不易受电、光、雾、雨水等干扰，费用也比微波等方法便宜。,电荷放大器,阈值判别电路,声光报警器,警戒区域,压电电缆,压电式周界报警系统框图,