1、 本章学习本章学习压电传感器压电传感器 的原的原理、应用及振动频谱分析。理、应用及振动频谱分析。第第7 7讲讲 压电传感器压电传感器 第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最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、动终能变换为力的那些非电物理量，例如
2、动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、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。坚固、可靠性、稳定性高。一、压电效应一、压电效应 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施
3、加的力与所施加的力F成正比成正比，这种现象称为压电效，这种现象称为压电效应应。还有一些人造的材料也具有压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。致伸缩效应）。石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 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；当动态力变为静态力
4、时，电的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类及特性 压电传感器中的压电元件材料一般有压电传感器中的压电元件材料一般有三类：三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；体）；另一类是另一类是 经过极化处理的经过极化处理的 压电陶压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。瓷；第三类是高分子压电材料。（一）石英晶体（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）石英晶体切片及封装石英晶体切片及封
5、装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶。常用的压
6、电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器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）上海硅酸盐研究所研制）高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制（三）高分子压电材料（三）高分子压电材料 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚氯乙烯（氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管
7、等形状。它不易可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较破碎，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，频率响应范围大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达较宽，测量动态范围可达80dB。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应（逆压电效应）第二节第二节 压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换
8、电路 电荷放大器的输出电压仅与输入电荷电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：很小：of 6-4QuC 电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转电荷转换为电压（换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。作用，只是一种习惯叫法。四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）灵灵 敏敏 度：度：0.11000mV/pC 频率范
9、围：频率范围：0.3100KHz 噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于：折合至输入端小于5V 准准 确确 度：度：1%最大输出：最大输出：10V/10mA 电电 源：源：220V/50Hz 控制方式：控制方式：计算机或手动计算机或手动焊接式焊接式 电荷放大器电荷放大器超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 主要指标主要指标:灵灵 敏敏 度：度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围：频率范围：0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV 归归 一一 化：外接电阻调整化：外接电阻调整 线性误差：线性误差：
10、1%最大输出：最大输出：5V或或10V 电电 源：源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴粘贴位置位置压电传
11、感器只能应用于动态测量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，因此压电式传感器此压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给交变力的作用下，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（一般必须高于100Hz100Hz，但在，
12、但在50kHz50kHz以上时，灵敏以上时，灵敏度下降）。度下降）。2 2压电式周界报警系统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）（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将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内作用，可在几十米范围内探测人的步行探测人的步行,对轮式或履对轮式或履带式车辆也可以通过信号带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。为测量系统的输出波形。二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 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，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并并为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。压电式动态力传感器以及在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车床中用于动态切削力的测量
