1、第6章 压电式传感器 第一节第一节 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 第二节第二节 压电传感器的等效电路及测量电路压电传感器的等效电路及测量电路第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用第六章第六章 压电式传感器压电式传感器 第6章 压电式传感器 第一节第一节 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 一、压电效应一、压电效应顺压电效应：顺压电效应：某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一定方向一定方向对其施力而对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表一定表面面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢上便产生符号相反的电荷，当
2、外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。复到不带电状态。这种现象称压电效应。逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：当在电介质的）：当在电介质的极化方极化方向向施加电场，这些电介质就在施加电场，这些电介质就在一定方向一定方向上产生机械变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。也随之消失的现象。第6章 压电式传感器 压电元件机械量电量电能电能机械能机械能顺压电效应顺压电效应逆压电效应逆压电效应第6章 压电式传感器 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有：压电常
3、数 弹性常数 介电常数二、压电材料二、压电材料压电常数是衡量材料压压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵直接关系到压电输出灵敏度。敏度。压电材料的弹性常数、压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。固有频率和动态特性。对于一定形状、尺寸对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有的压电元件，其固有电容与介电常数有关；电容与介电常数有关；而固有电容又影响着而固有电容又影响着压电传感器的频率下压电传感器的频率下限。限。机械耦合系数转换输出能量（如转换输出能量（如电能）与输入的能电能）与输入的能量（如机械能）之量（如机械能）之比
4、的平方根，这是比的平方根，这是衡量压电材料机衡量压电材料机电能量转换效率的电能量转换效率的一个重要参数。一个重要参数。电阻 压电材料的绝缘电压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感从而改善压电传感器的低频特性。器的低频特性。居里点温度它是指压电材料它是指压电材料开始丧失压电特开始丧失压电特性的温度。性的温度。第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器（一）（一）石英晶体石英晶体（SiO2）在在20200范围内，温度每升高范围内，温度每升高1，压电系数仅减，压电系数仅减少少0.016。但是当到。但是当到573时，它完全失去了压电特性，时，它完全失去了压电特性，这就是它
5、的这就是它的居里点居里点。石英在高温下石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性的温度特性石英的石英的d11系数系数相对于相对于20的的d11温度变化温度变化特性特性1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t6543210100 200 300400 500 600t/相相对对介介电电常常数数居里点第6章 压电式传感器（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷 1 1、钛酸钡压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷 介电常数、压电系数大（约为石英晶体的介电常数、压电系数大（约为石英晶体的50倍）；倍）；居里温度低（居里
6、温度低（120），温度稳定性和机械强度不），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。如石英晶体。2 2、锆钛酸铅系压电陶瓷（、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）比钛酸钡压电系数更大，居里温度在比钛酸钡压电系数更大，居里温度在300300以上，各以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZTPZT材料。材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压
7、电式传感器中应用最广泛的压电材料。广泛的压电材料。=BaCO3+TiO2=PbTiOPbTiO3 3+PbZrO+PbZrO3 3第6章 压电式传感器 三、石英晶体（三、石英晶体（SiOSiO2）的压电效应的压电效应ZXYZYX纵向轴纵向轴ZZ称为称为光轴光轴经过正六面体棱线，经过正六面体棱线，并垂直于光轴的并垂直于光轴的XX轴称为轴称为电轴电轴与与XX轴和轴和ZZ轴同时轴同时垂直的垂直的YY轴（垂 直 于轴（垂 直 于正 六 面 体 的正 六 面 体 的棱 面）称 为棱 面）称 为机械轴机械轴第6章 压电式传感器 1 1、石英晶体产生压电效应原因、石英晶体产生压电效应原因YXXY+-+第6章
8、 压电式传感器 当作用力当作用力F F=0=0时，正、负离时，正、负离子（即子（即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正好分）正好分布在正六边形顶角上，形成布在正六边形顶角上，形成三个互成三个互成120120夹角的电偶极夹角的电偶极矩矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，此时正负电，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 Y Y+-X XP P1 1P P2 2P P3 3第6章 压电式传感器 当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的压力方向的压力（F FX X000（P P1 1+P P2 2+P
9、 P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+P P2 2+P P3 3）Z Z=0=0+X XY Y+-P P1 1P P2 2P P3 3F FX XF FX X在在X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。第6章 压电式传感器（P1+P2+P3）X00X轴的正向轴的正向:正电荷正电荷Y、Z轴方向无电荷轴方向无电荷+XY+-P1P2P3FYFY与沿与沿X X方向施压力（方向施压力（F FX X00）作用相同）作用相同第6章 压电式传感器 F FY Y 0 0(P P1 1+P P2 2+P P3 3)X X 0 0X轴的正向：负电荷轴的正向
10、：负电荷Y、Z轴方向无电荷轴方向无电荷Y+-X-P2P3P1+FYFY与沿与沿X X方向施拉力（方向施拉力（F FX X 0）作用相同）作用相同 这种沿这种沿Y轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷轴晶面上产生电荷的现象即为的现象即为横向压电效应横向压电效应。第6章 压电式传感器 2 2、纵向压电效应、纵向压电效应xxFdq11式中,d11为x方向受力的压电系数 d11=2.3110-12C/N FX为作用力FXFX+XXzxyoxzyobzoxac y(a)(b)(c)第6章 压电式传感器 3 3、横向压电效应、横向压电效应yyFbadq12式中：d12y轴方向受力的压电
11、系数，根据石英晶体的对称性，有d12=-d11；+FYXFYX第6章 压电式传感器 四、陶瓷的压电效应四、陶瓷的压电效应无外电场作用时无外电场作用时施加外电场时外电场去掉后第6章 压电式传感器 自由电荷束缚电荷电极电极 极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度第6章 压电式传感器 这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是能的现象，就是正压电效应正压电效应。F 极化方向Fdq33d33: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 第6章 压电式传感器 在陶瓷片上
12、加一个与极化方向相同的电场，由于电场的在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，陶度增大。陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆
13、压电效应者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。极 化方向电场方向第6章 压电式传感器 第二节第二节 压电传感器的等效电路及测量电路压电传感器的等效电路及测量电路一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式1 1、并联连接、并联连接+-+-qq2CC2UU 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。第6章 压电式传感器 2 2、串联连接、串联连接+-+-+qq 2CC UU2串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。第6章 压电式传感器 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
14、厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。F(a)(b)(c)FFFF(d)(e)F(a)(b)(c)FFFF(d)(e)F(a)(b)(c)FFFF(d)(e)F(a)(b)(c)FFFF(d)(e)F(a)(b)(c)FFFF(d)(e)(a)厚度变形(b)长度变形(c)体积变形(d)面切变形(e)剪切变形第6章 压电式传感器 二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路 q电极电极压电晶体压电晶体qCedAdACre0eCqU 静电发生器静电发生器电容器电容器第6章 压电式传感器 因此，压电传感器可等效为电
15、压源因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ce的的串联串联电路，如图电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源；也可等效为一个电荷源q和一个电和一个电容器容器Ce的的并联并联电路，如图电路，如图(b)。（a）电压等效电路CeUq/Ceq UCeCe（b）电荷等效电路第6章 压电式传感器 Cc：连接电缆等效电容连接电缆等效电容 Ri：放大器输入电阻放大器输入电阻Ci：输入电容输入电容 Rd：压电传感器泄漏电阻压电传感器泄漏电阻第6章 压电式传感器 三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路1 1、电压放大器、电压放大器作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传
16、感器输出的微弱信号。第6章 压电式传感器 2112221)(1)(iceiceamimCCCRCCCRUU1)(11iceCCCR112tg第6章 压电式传感器 p117页图6-10所示，当作用于压电元件的力为静态力（=0）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。压电传感器不能用于静态力的测量。131时，前置放大器的输出电压随频率变化不大。压与作用力的频率有关时，可近似认为输入电31即说明压电传感器的高频响应比较好，所以用于高用于高频交变力的测量。频交变力的测量。第6章 压电式传感器 2 2、电荷放大器、电荷放大器
17、ficeoCACCCAqu)1(foCqu第6章 压电式传感器 第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用一、压电力学传感器一、压电力学传感器+-力Fx第6章 压电式传感器 单向单向测力测力传感传感器的器的结构结构图图 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0.10.5mm，当外，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用片采用xy切型，切型，利用其纵向压电效应，利用其纵向压电效应，通过通过d11实现力实现力电转换。电转换。石英晶片的尺寸为石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测
18、力范围为。该传感器的测力范围为050N，最，最小分辨率为小分辨率为0.01 N，固有频率为，固有频率为5060 kHz，整个传感器重，整个传感器重10 g。第6章 压电式传感器 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 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，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电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，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。压 电 传 感 器输 出 信 号第6章 压电式传感器 二、压电加速度传感器二、压电加速度传感器 主要由压电元件
19、、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。第6章 压电式传感器 三、压电式玻璃破碎报警器三、压电式玻璃破碎报警器BS-D2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。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520 k。第6章 压电式传感器 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经
20、放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。执行机构比较带通滤波放大传感器玻璃第6章 压电式传感器 利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一
21、段时间每隔一段时间(如如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射此流量计可测量各种此流量计可测量各种液体的流速，中压和液体的流速，中压和低压气体的流速，不低压气体的流速，不受该流体的导电率、受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其以及成分的影响。其准确度可达准确度可
22、达0.5%，有的可达到有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的变化，测量声速随深度的分布情况四、四、压电式流量计压电式流量计第6章 压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。脉搏计照片 典型应用：脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量
23、 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等 五、集成压电式传感器五、集成压电式传感器第6章 压电式传感器 力敏元件主要性能指标：力敏元件主要性能指标：压力范围压力范围 1kPa灵敏度灵敏度 0.2V/P非线性度非线性度 1 F.S频率响应频率响应 11000Hz标准工作电压标准工作电压 4.5V（DC）扩充工作电压扩充工作电压 315V(DC)标准负载电阻标准负载电阻 2.2k扩充电阻扩充电阻 1k12k外形尺寸外形尺寸 12.77.6重重 量量 1.5集成压电传感器连线电路集成压电传感器连线电路输出力敏元件地线R=2.2k 电源集成压电传感器连线电路OO第6章 压电式传感器 六、压电式传感器
24、在自来水管道测漏中的应用六、压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上，在管道上A、B两点放两只传两点放两只传感器，感器，A、B距离为距离为L（已知或可测），从（已知或可测），从A、B两个传感器接收两个传感器接收的由的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和）和tB（=LB/V），两者时间差为），两者时间差为 t=tA-tB=（LA-LB）/V （1）又又 L=LA+
25、LB （2）LABO点LALB地 面 1、检测原理、检测原理第6章 压电式传感器 因为管道埋设在地下，看不到因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道点，也不知道LA和和LB的长度，已的长度，已知的是知的是L和和V，如果能设法求出，如果能设法求出t，则联立（，则联立（1）+（2）得：）得：LA=(L+tV)/2 （3）或者将（或者将（1）-（2）得：）得：LB=（L-tV）/2 （4）关键是确定关键是确定t，就可准确确定漏点，就可准确确定漏点O。如果从。如果从O点出发的是点出发的是一极短暂的脉冲，在一极短暂的脉冲，在A、B两点用双线扫描同时开始记录，在示两点用双线扫描同时开始记录，在示波器上两脉
26、冲到达的时间差就是波器上两脉冲到达的时间差就是t。实际的困难在于漏水声是。实际的困难在于漏水声是连续不断发出的，在连续不断发出的，在A、B两传感器测得的是一片连续不断，幅两传感器测得的是一片连续不断，幅度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们无章的信号找出规律来，把它们“对齐对齐”，对齐移动所需要的时，对齐移动所需要的时间就是间就是t。第6章 压电式传感器 2 2、水漏探测仪设计、水漏探测仪设计 前前 放放带通带通滤波滤波放放 大大低通低通滤波滤波传感器传感器B发发 送送前前 放放带通带通滤波滤波放放 大大低通低通滤波滤波传感器传感器A主主 机机接接 收收管管 道道
