1、第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器5.1 5.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料15.2 5.2 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路5.3 5.3 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路35.4 5.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用42 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。材料的压电效应，是典型的有源传感器。u当某些材料受力作用而变形时，其表面会有当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。电荷产生，从而实现非电量测量。u压电式传感器具有体积小，重量轻，工作
2、频压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，因此在各种动态力、特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。面都得到了非常广泛的应用。某些物质质沿某一方向受到外力作用时时，会产会产生变变形，同时时其内内部产产生极极化现现象，此时时在这种这种材料的两个两个表面产产生符号号相反的电电荷，当当外力去掉后，它它又重新恢复复到不带电带电的状态状态，这种现这种现象被称为称为压电压电效应应。当当作用力方向改变时变时，电电荷极
3、极性也随随之改变变。这种这种机械能转转化为电为电能的现现象称为称为“正压电压电效应应”或“顺压电顺压电效应应”。5.1 压电效应及压电材料反之，当当在某些物质质的极极化方向上施加电场电场，这这些材料在某一方向上产产生机械变变形或机械压压力；当当外加电电场场撤去时时，这这些变变形或应应力也随随之消失。这种电这种电能转转化为为机械能的现现象称为称为“逆压电压电效应应”或“电电致伸缩缩效应应”。5.1 压电效应及压电材料u石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。良的压电材料。u压电材料可以分为两大类：压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶压电晶
4、体和压电陶瓷瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。较理想的压电材料。5.1 压电效应及压电材料u 压电材料的主要特性参数有：压电材料的主要特性参数有：（1 1）压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2 2）弹性常数：压电材料的弹性常数、弹性常数：压电材料的弹性常
5、数、刚度决定着刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。压电器件的固有频率和动态特性。（3 3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。压电传感器的频率下限。(4(4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换 输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。换效率的一个重要
6、参数。（5 5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6 6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。度称为居里点。5.1 压电效应及压电材料 如图图所示为为天然石英晶体，其结构结构形状为状为一个个六角形晶柱，两两端为为一对称对称棱锥棱锥。在晶体学学中，可以把将将其用三根互相垂直的轴轴表示，其中，纵轴纵轴Z Z称为称为光轴轴，通过过六棱线棱线而垂直于光铀铀的X X铀称为电轴铀称为电轴，与与X-XX-X轴轴和Z-ZZ-Z轴轴垂直的Y-YY-Y轴轴
7、 (垂直于六棱棱柱体的棱棱面)称为称为机械轴轴。如果从从石英晶体中切下一个个平行六面体并并使其晶面分别别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线轴线。晶片在正常情况况下呈现电现电性。通常把沿电轴电轴(X(X轴轴)方向的作用力产产生的压电压电效应称为应称为“纵纵向压电压电效应应”，把沿机械轴轴(Y(Y轴轴)方向的作用力产产生的压电压电效应称为应称为“横横向压电压电效应应”，沿光轴轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产产生压电压电效应应。沿相对两棱对两棱加力时时，则产则产生切向效应应。压电压电式传传感器主要是利用纵纵向压电压电效应应。石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。具有
8、压电效应，是由其内部分子结构决定的。图图-2-2是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧是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，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正平面上的投影，等效为一个正六边形排列。六边形排列。图中图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+，“”代代表氧离子表氧离子OO2-2-。当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正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，形成三个互成六边形的顶角上，形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩1 1、2 2、3 3。如图如图5-35-3（a a）所示。）所示
9、。因为因为=qL（q为电荷量，为电荷量，L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 1+2+30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。在在y、z方向上的分量为方向上的分量为:(1+2+3)y=0 (1+2+3)z=0当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的压力（方向的压力（x 0当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的拉力（方向的拉力（x 0）作用时，其变化情）作用时，其变化情况如图况如图5-3（c）所示。电偶极矩）所示。电偶极矩1增大，增大，2、3减小，减小，此时它们在此时它
10、们在x、y、z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (1+2+3)xR1 1，那么由式，那么由式（5-85-8）可知，理想情况下输入电压幅值）可知，理想情况下输入电压幅值U Uimim为为 icamimCCCFdU 33上式表明前置放大器输入电压上式表明前置放大器输入电压U Uimim与频率无关，一般在与频率无关，一般在/0 033时，就可以认为时，就可以认为U Uimim与与 无关，无关，0 0表示测量电表示测量电路时间常数之倒数，即路时间常数之倒数，即 R)CCC(ica 10(5-10)这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力
11、为静态力（作用于压电元件的力为静态力（=0=0）时，）时，前置放大前置放大器的输出电压等于零，器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电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，阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用所以压电传感器不能用于静态力的测量。于静态力的测量。5.3 压电式传感器的测量电路u下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高下图给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗的输入阻抗(1000M)(1000M)和很低的输出阻抗和很低的输出阻抗(100)(100)，因，因此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压电传感器与一般此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压
12、电传感器与一般放大器匹配。放大器匹配。INPUTC1R1R3R5R2C2D2D1BG1R4BG2D3R6C3EOUTPUT电压放大器电压放大器5.3 压电式传感器的测量电路uBGBG1 1为为MOSMOS场效应管，做阻抗变换，场效应管，做阻抗变换，R R3 3100M100M；BGBG2 2管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。R R4 4既是既是BGBG1 1的源极接地电阻，也是的源极接地电阻，也是BG2BG2的负载电阻，的负载电阻，R R4 4上的交变电压通过上的交变电压通过C C2 2反馈到场效应管反馈到场效应管BGBG1 1的输入端，的
13、输入端，保证较高的交流输入阻抗。由保证较高的交流输入阻抗。由BGBG1 1构成的输入极，其构成的输入极，其输入阻抗为输入阻抗为:u引进引进BGBG2 2，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为抗为:u式中式中AuAu是是BGBG1 1源极输出器的电压增益，其值接近源极输出器的电压增益，其值接近1 1。12312(5 11)iR RRRRR(5 12)1iifuRRA5.3 压电式传感器的测量电路u所以所以 可以提高到几百到几千兆欧。由可以提高到几百到几千兆欧。由BGBG1 1所构成的所构成的源极输出器，其输出阻抗为源极输出器，其输出阻抗为式中式中 为场效
14、应管的跨导。为场效应管的跨导。u电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感电压放大器的应用具有一定的应用限制，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。器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容电缆长，电缆电容CcCc就大，电缆电容增大必然使传就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，微型电压放大电路可以和传感器成电路的迅速发展，微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。
15、广泛的应用前景。ifR041/(5 13)mRRgmg AuoCiqCaCeCrfdoCqUU由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压 ficaoC)A(CCCAqU1FoCqUCoCcR110GRF1MR3100kR4130kR5890kR6150k-+AD544/TO3260C1300pC247uw130kC32000pw2100k-+UA7763265810V输出加速度传感器PV-965.4 压电式传感器的应用 压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最终能转换成力的多种物理量。最终能转换
16、成力的多种物理量。5.4.1 5.4.1 微振动检测仪微振动检测仪uPV-96PV-96压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路原理图如图原理图如图5-95-9所示。该电路由电荷放大器和电压调所示。该电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。整放大器组成。图图5-9 微振动检测电路微振动检测电路5.4 压电式传感器的应用u第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容C C1 1和反馈电阻和反馈电阻R R1 1决定。低频截止频率为决定。低频截止频率为0.053Hz0.053Hz。R RF F是过载保护电阻。是过载保护电阻。u
17、第二级为输出调整放大器，调整电位器第二级为输出调整放大器，调整电位器WW1 1可使其可使其输出约为输出约为50mV/gal(1gal=1cm/)50mV/gal(1gal=1cm/)。u在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大,该电路的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，该电路的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，为了降低噪声，最有效的方法是减小电荷放大器为了降低噪声，最有效的方法是减小电荷放大器的反馈电容。但是当时间常数一定时，由于的反馈电容。但是当时间常数一定时，由于C C1 1和和R R1 1呈反比关系，考虑到稳定性，则反馈电容呈反比关系，考虑
18、到稳定性，则反馈电容C C1 1的的减小应适当。减小应适当。2S5.4 压电式传感器的应用5.4.2 5.4.2 基于基于PVDFPVDF压电膜传感器的脉象仪压电膜传感器的脉象仪u由于由于PDVF(PDVF(聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯)压电薄膜具有变力响应灵敏压电薄膜具有变力响应灵敏度高、柔韧易与制备，可紧贴皮肤等特点，因此可用度高、柔韧易与制备，可紧贴皮肤等特点，因此可用人手指端大小的压电膜制成可感应人体脉搏压力波变人手指端大小的压电膜制成可感应人体脉搏压力波变化的脉搏传感器。脉象仪的硬件组成如图化的脉搏传感器。脉象仪的硬件组成如图5-105-10所示：所示：压电薄膜线性电荷放大电路带通滤波器和5
19、0Hz工频陷波器电压放大器处理器A/D图图5-10 5-10 脉象仪的硬件组成脉象仪的硬件组成5.4 压电式传感器的应用u因压电薄膜内阻很高，且脉搏信号微弱，设计其因压电薄膜内阻很高，且脉搏信号微弱，设计其前置电荷放大器有两个作用前置电荷放大器有两个作用:一是与换能器阻抗匹配，把高阻抗输入变为低阻抗一是与换能器阻抗匹配，把高阻抗输入变为低阻抗输出；输出；二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。u为提高测量的精度和灵敏度，前置放大电路采用为提高测量的精度和灵敏度，前置放大电路采用线性修正的电荷放大电路，可获得较低的下限频线性修正的电荷放大电路，可获得较低的下限频率
20、，消除电缆的分布电容对灵敏度的影响，使设率，消除电缆的分布电容对灵敏度的影响，使设计的传感器体积小型化。计的传感器体积小型化。u在一般的电荷放大器设计中，时间常数要求很大在一般的电荷放大器设计中，时间常数要求很大(一般在一般在 以上以上)，在小型的，在小型的PVDFPVDF脉搏传感器中，脉搏传感器中，很难实现，因为反馈电容不能选得太小。很难实现，因为反馈电容不能选得太小。510 s5.4 压电式传感器的应用u在时间常数不足够大的情况下在时间常数不足够大的情况下(小于小于100s)100s)，电荷，电荷放大器的输出电压跟换能器受到的压力成非线性放大器的输出电压跟换能器受到的压力成非线性关系，因此
21、需要对电荷放大器进行非线性修正。关系，因此需要对电荷放大器进行非线性修正。u由于脉搏信号频率很低，是微弱信号，且干扰信由于脉搏信号频率很低，是微弱信号，且干扰信号较多，滤波电路在设计中，非常重要。号较多，滤波电路在设计中，非常重要。u运算放大器应尽量选择低噪声、低温漂的器件。运算放大器应尽量选择低噪声、低温漂的器件。根据脉搏信号的特点，以及考虑高频噪声及温度根据脉搏信号的特点，以及考虑高频噪声及温度效应噪声的影响，带通滤波器的通带频率宽度应效应噪声的影响，带通滤波器的通带频率宽度应选择在选择在0.5Hz0.5Hz到到100Hz100Hz之间。之间。压力式单向测力传感器结构图压力式单向测力传感器
22、结构图 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0.10.5mm0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用递到石英晶片上。石英晶片采用xyxy切型，切型，利用其纵向利用其纵向压电效应，压电效应，通过通过d d1111实现力实现力电转换。电转换。下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。压电元件、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。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以
23、固定。压电式加速度传感器压电式加速度传感器结构图结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，此惯性力是加速度的函数，即即 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力；m质量块的质量；质量块的质量；a加速度。加速度。与加速度与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。电荷便可知加速度的大小。此时惯性力此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷作用于压电元件上，
24、因而产生电荷q，当传感器选定后，当传感器选定后，m为常数，为常数，则传感器输出电荷为则传感器输出电荷为madFdq3333 SPdFdq111122vtLLvtLLBA 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器波。所以，换能器S1是声频信号发生器是声频信号发生器。当当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空时，空气振动产生的压力作用在气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现的压
25、电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器所以，换能器S2是声频信号接收器是声频信号接收器。汽车车安全气气囊加速度计计习题与思考题1 1简述正、逆压电效应。简述正、逆压电效应。2 2压电材料的主要特性参数有哪些？压电材料的主要特性参数有哪些？3 3简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。4 4能否用压电传感器测量静态压力？为什么？能否用压电传感器测量静态压力？为什么？5 5如下图所示电荷放大器中如下图所示电荷放大器中Ca=100 PFCa=100 PF，Ra=Ra=，R Rf f=，R Ri i=，C CF F=10 PF=10 PF。若考虑引线电容。若考虑引线电容Cc Cc 影响，当影响，当A A0 0=时，时，要求输出信号衰减小于要求输出信号衰减小于1%1%，求使用，求使用90 PF/m90 PF/m的电缆，其最的电缆，其最大允许长度为多少？大允许长度为多少？-A048Ca RaqCcCiRiRfCfU0410
