1、电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用 第六章 压电式传感器u压电式传感器的定义压电式传感器的定义 利用压电材料的压电效应，实现机械能与电能相互转换的利用压电材料的压电效应，实现机械能与电能相互转换的传感器。传感器。u压电式传感器的感测量压电式传感器的感测量 动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。面应用广泛。u压电式传感器的种类压电式传感器的种类 根据工作原理：根据工作原理：正压电效应型和逆压电效应型。正压电效应型和逆压电效应型。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用 第六章 压电式传
2、感器压电加速度计 压电陶瓷超声换能器压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电警号压电警号电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.1 压电效应压电效应 6.2 压电材料压电材料6.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路6.4 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.5 压电式传感器应用压电式传感器应用 第六章 压电式传感器电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用一、压电效应的基本概念一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 1 1、正压电效应、正压电效应某些物质沿某一方向受到外力作用某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时
3、内部产生极化现象，时，会产生变形，同时内部产生极化现象，在这种材料的两个表面产生符号相反的电在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。的状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用一、压电效应的基本概念一、压电效应的基本概念6.1 压电效应 2 2、逆压电效应、逆压电效
4、应当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸电致伸缩效应缩效应”。压电元件压电元件机械能机械能电能电能应力应力应变应变电荷电荷电场电场3 3、压电效应的特点、压电效应的特点（1 1）压电效应具有可逆性）压电效应具有可逆性电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用一、压电效应的基本概念一、
5、压电效应的基本概念6.1 压电效应 3 3、压电效应的特点、压电效应的特点（2 2）具有瞬时性）具有瞬时性当力的方向改变时，电当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。的频率与动态力的频率相同。（3 3）具有不稳定性）具有不稳定性当动态力变为静态力时，当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。漏、消失。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 压电单晶体：压电单晶体：石英石英(包括天然石英和人造石包括天然石英和人造石英英)
6、、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体(包括酒石酸包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等钾、硫酸锤等)。常见的压电材料可分为两类：常见的压电材料可分为两类：压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体和多晶体压电陶瓷。多晶体压电陶瓷：多晶体压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。镁酸铅压电陶瓷等。天然石英天然石英压电陶瓷压电陶瓷电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 天然石英晶体，结构形
7、状为天然石英晶体，结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称一个六角形晶柱，两端为一对称的棱锥。的棱锥。在晶体学中，用三根互相垂在晶体学中，用三根互相垂直的轴建立描述晶体结构形状的直的轴建立描述晶体结构形状的坐标系。坐标系。纵轴纵轴Z Z称为称为光轴光轴，通过六棱，通过六棱线而垂直于光铀的线而垂直于光铀的X X铀称为铀称为电轴电轴，与与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 (垂直于六棱柱体的棱面垂直于六棱柱体的棱面)称为称为机机械轴械轴。1 1、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用如果从石英晶体中切下一个平行六面体并
8、使其如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行晶面分别平行于于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶片在正常轴线。晶片在正常情况下呈现电中性。情况下呈现电中性。二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 1 1、石英晶体压电效应、石英晶体压电效应纵向压电效应：纵向压电效应：沿电轴沿电轴(X(X轴轴)方向的作用力产方向的作用力产生的压电效应。生的压电效应。横向压电效应：横向压电效应：沿机械轴沿机械轴(Y(Y轴轴)方向的作用力方向的作用力产生的压电效应产生的压电效应切向压电效应：切向压电效应：沿相对两棱加力时产生的压电沿相对两棱加力时产生的压电效应。效应。沿光
9、轴沿光轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产生压电效应。方向的作用力不产生压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 石英晶体具有压电效应，由内部分子石英晶体具有压电效应，由内部分子结构决定的。结构决定的。一个单元组体中，构成石英晶体的硅一个单元组体中，构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于离子和氧离子，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的平面上的投影，等效为一个正六边形排列。投影，等效为一个正六边形排列。“”代代表硅离子表硅离子SiSi4+4
10、+，“”代表氧离子代表氧离子O O2-2-。2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理当石英晶体未受外力作用时，正、负当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成个互成120120夹角的电偶极矩为夹角的电偶极矩为P P1 1、P P2 2、P P3 3。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 因为因为P=qLP=qL（q q为电荷量，为电荷量，L L为正负电荷之为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶间的距离），此时正
11、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即极矩的矢量和等于零，即P P1 1+P+P2 2+P+P3 30 0晶体表面不产生电荷，呈电中性。晶体表面不产生电荷，呈电中性。2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理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 x00(P1+P2+P3)x0电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 在在x x 方向上的分量不再等于零方向上的分量不再等于零 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3)x x00 在在y y、z z方向上的分量为方向上的分
12、量为 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3)y y=0=0 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3)z z=0=02 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理在在x x轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在y y、z z方向不出现电荷。方向不出现电荷。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、压电效应的基本原理二、压电效应的基本原理6.1 压电效应 2 2、石英晶体压电效应的微观机理、石英晶体压电效应的微观机理在在x x轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在y y、z z方向依然不出现电荷。方向依然不出现电荷。当晶体受到沿当晶体受到沿
13、x x方向的拉力（方向的拉力（F Fx x0 0）作用时，电偶极矩）作用时，电偶极矩P P1 1增大，增大，P P2 2、P P3 3减小，在减小，在x x、y y、z z三个方向上的分三个方向上的分量为量为(P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3)x x 0 1。根据。根据Uim()的表达式，在理想情的表达式，在理想情况下输入电压幅值为况下输入电压幅值为)(1/CCRjRjdfZRZZRUUacCCaiaAuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)输入等效电路输入等效电路放大器输入端电压幅值为放大器输入端电压幅值为 222)(1icamimCCCRRdFU输入电压和作用力之间
14、相位差为输入电压和作用力之间相位差为 )(arctan2)(RCCCica电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 1 1、电压放大器电路原理、电压放大器电路原理AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)输入等效电路输入等效电路（1）压电传感器不能测量静态物理量。）压电传感器不能测量静态物理量。（2）当）当1时（工程中认为时（工程中认为3可满足要求），输入电压与可满足要求），输入电压与信号频率无关。信号频率无关。优点：优点：时间常数一定时，高频响应特性好。时间常数一定时，高频响应
15、特性好。缺点：缺点：低频响应差。提高低频响应的办法是增大时间常数，即低频响应差。提高低频响应的办法是增大时间常数，即增大电容或提高输入电阻。增大电容或提高输入电阻。icamicamimCCCdFCCCRRdFU222)(1前置放大器输入回路的时间常数为前置放大器输入回路的时间常数为 RCCCica)(电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 2 2、传感器电压灵敏度、传感器电压灵敏度前置电路要有高输入阻抗：前置电路要有高输入阻抗：因为传感器电压灵敏度与电容成反比，因为传感器电压灵敏度与电容成反比
16、，所以提高低频响应的办法只能是增大前置输所以提高低频响应的办法只能是增大前置输入回路电阻，这样导致电压放大器响应差。入回路电阻，这样导致电压放大器响应差。icaicaicamimUCCCdCCCRdCCCRRdFUK222)()(1)(1压电式传感器的电压灵敏度为压电式传感器的电压灵敏度为 1R因此，要求电压放因此，要求电压放电器前置电路具有高输电器前置电路具有高输入阻抗。入阻抗。前置电压放电器采前置电压放电器采用高输入阻抗的运算放用高输入阻抗的运算放大器，具有阻抗变换的大器，具有阻抗变换的作用。作用。AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)AuoCiRiCeReCaua(a
17、)CRCauaui(b)电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用一、电压放大器（阻抗变换器）一、电压放大器（阻抗变换器）6.4 压电式传感器测量电路 从传感器的输出电压和电压灵敏度可从传感器的输出电压和电压灵敏度可见，连接电缆的分布电容见，连接电缆的分布电容C Ce e影响传感器输出影响传感器输出电压和灵敏度，使用时更换电缆就要求重电压和灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。这是电压放大器的缺点。因此，压电传感器因此，压电传感器与前置放大器之间连接与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否电
18、缆不能随意更换，否则将引入测量误差。则将引入测量误差。解决电缆分布电容解决电缆分布电容的影响和低频响应差的的影响和低频响应差的缺点可采用电荷放大。缺点可采用电荷放大。icamicamimCCCdFCCCRRdFU222)(1icaicaUCCCdCCCRRdK2)(1AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)2 2、传感器电压灵敏度、传感器电压灵敏度电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用运算放大器输入阻抗极高，运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故放大器输入端几乎没有分流，故可等效成略去可
19、等效成略去Ra和和Ri并联电阻的并联电阻的电路。电路。二、电荷放大器二、电荷放大器6.4 压电式传感器测量电路 电荷放大器是一种输出电压电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。负反馈的高增益运放。通常通常A=104108，当满足，当满足(1+A)CrCa+Cc+Ci时，则有时，则有 ricaoCACCCAqu)1(1 1、电荷放电器输出电压、电荷放电器输出电压 AuoCiqCaCeCr反馈电容反馈电容Cr折合到放大器输折合到放大器输入端的有效电容为入端的有效电容为(1+A)Cr。
20、电荷。电荷放大器的输出电压为放大器的输出电压为roCqu/电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用二、电荷放大器二、电荷放大器6.4 压电式传感器测量电路 电荷放大器输出电压电荷放大器输出电压2 2、电荷放电器的特点、电荷放电器的特点roCqu/（1 1）电荷放大器的输出电压）电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，且与电荷成正比。电缆电容无关，且与电荷成正比。（2 2）采用电荷放大器时，即）采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，灵敏使连接电缆长度在百米以上，灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器度也无明显变化，这是电荷
21、放大器的最大特点。的最大特点。（4）为了得到必要的测）为了得到必要的测量精度，要求反馈电容量精度，要求反馈电容Cr的温的温度和时间稳定性都很好。在实度和时间稳定性都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程际电路中，考虑到不同的量程等因素，等因素，Cr的容量做成可选择的容量做成可选择的，范围一般为的，范围一般为102104pF。（3）电路复杂，价格昂贵。）电路复杂，价格昂贵。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 压电式传感器主要测量动态压电式传感器主要测量动态力、机械冲击和振动，在声学、医力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方面应用广泛。学、力学、
22、导航方面应用广泛。1 1、压电式力传感器、压电式力传感器压电式单向测力传感器的结压电式单向测力传感器的结构，主要由石英晶片、构，主要由石英晶片、绝缘套、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件，外传感器上盖为传力元件，外缘壁厚为缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用，当外力作用时，产生弹性变形，将力传递到石时，产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。利用压电效应，实现英晶片上。利用压电效应，实现力力电转换。电转换。石 英 晶 片 的 尺 寸 为石 英 晶 片 的 尺 寸 为81mm。该传感器的测力范。该传感器的测力范围为围为050N，最小分辨率为，最小分辨率为0.
23、01N，固有频率为，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为整个传感器重为10 g。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 2 2、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器压电式加速度传感器的结构，主要由压电式加速度传感器的结构，主要由压电元件、质量块、压电元件、质量块、预压弹簧预压弹簧、基座及外壳、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。以固定。当压电式加速度当压电式加速度传感器和被测物一起传感器和被测物一起受到冲击振动时，压受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性电元件受质量块惯性力的作用。力的作用
24、。惯性力作用于压惯性力作用于压电元件上，产生电荷。电元件上，产生电荷。输出电荷与加速度成输出电荷与加速度成正比。正比。因此，根据加速因此，根据加速度传感器输出电荷便度传感器输出电荷便可知加速度的大小。可知加速度的大小。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 3 3、压电式声传感器、压电式声传感器当交变信号加在压电陶瓷当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，因压电陶瓷的逆片两端面时，因压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短，向产生周期性的伸长和缩短，产生振动发射声波。产生振动发射声波。如果换能器中压电陶瓷的振荡
25、如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则发射或接收频率在超声波范围，则发射或接收的声频信号即为超声波。这样的换的声频信号即为超声波。这样的换能器称为能器称为压电超声换能器压电超声换能器。当一定频率的声频信号加当一定频率的声频信号加在压电陶瓷片上时，压电陶瓷在压电陶瓷片上时，压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变片受到外力作用而产生压缩变形，压电陶瓷上因正压电效应形，压电陶瓷上因正压电效应出现充、放电现象，声频信号出现充、放电现象，声频信号转换成交变电信号，接收声频转换成交变电信号，接收声频信号。信号。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 4 4、压
26、电式流量计、压电式流量计超声波流量计：超声波流量计：压电超声换能器压电超声换能器每 隔 一 段 时 间（如每 隔 一 段 时 间（如1/100s）发射和接收互）发射和接收互换一次。换一次。在顺流和逆流的在顺流和逆流的情况下，发射和接收情况下，发射和接收的相位差与流速成正的相位差与流速成正比。比。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 5 5、压电式传感器管道检漏、压电式传感器管道检漏地面下一均匀的自来水直管道某处地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动发生漏水，水漏引起的振动从从O点向管道两端传播，在管道上点向管道两端传播，在管道上A、
27、B两点放两只压电传感器，从两两点放两只压电传感器，从两个传感器接收到的由个传感器接收到的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可时刻发出的振动信号所用时间差可计算出计算出LA或或LB。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 6 6、石英晶体振荡器（晶振）、石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡石英晶体在振荡电路中工作时，电路中工作时，压电压电效应与逆压电效应效应与逆压电效应交交替作用，从而产生稳替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。定的振荡输出频率。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 7 7、压电
28、式玻璃破碎报警装置、压电式玻璃破碎报警装置高分子压电测振薄膜粘贴在玻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出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。厚约厚约0.2mm左右的左右的PVDF薄膜薄膜裁制成裁制成1020mm大小。用瞬干胶大小。用瞬干胶粘贴在玻璃上。粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷，在两个输出引脚之间产生窄电荷，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脉冲报警信号。质质量量块块电气信息学院电气信息学院
29、传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 8 8、压电式周界报警系统、压电式周界报警系统压电电缆埋在泥压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听布式地下麦克风或听音器的作用，可在几音器的作用，可在几十米范围内探测人的十米范围内探测人的步行步行,对轮式或履带对轮式或履带式车辆也可通过信号式车辆也可通过信号处理系统分辨出来。处理系统分辨出来。在重要位置出入在重要位置出入口、周界安全防护等口、周界安全防护等地方应用。地方应用。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 9 9、压电式交通监测系统、压电式交通监测系统高分子
30、压电电缆埋在高分子压电电缆埋在公路的路面下约公路的路面下约5cm，可，可获取车型分类信息（包括获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）等。息采集（道路监控）等。也用于机场滑行道监也用于机场滑行道监测等。测等。电气信息学院电气信息学院传感器原理及应用传感器原理及应用6.5 压电式传感器应用 1010、压电式动态力传感器、压电式动态力传感器在体育动态测量中应用。在体育动态测量中应用。压电式步态分析跑台压电式步态分析跑台压电式纵跳分析装置压电式纵跳分析装置在车床中动态切削力测量在车床中动态切削力测量中应用。中应用。
