1、2023-4-261专题专题4 4 压电效应与压压电效应与压电传感器典型应用电传感器典型应用2023-4-262 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某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，在电介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。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，它可以测量最终能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、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。振动加速度
2、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、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。可靠性、稳定性高。2023-4-2631.压电效应（压电效应（80页）页）外力沿压电材料特定晶向作用使晶体变形，使得相对的晶面上产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象称为正压电效应。压电效应可逆，在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还产生机械形变；去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称为逆压电效应。当外力F沿特定方
3、向作用压电晶体时，在相对晶面上产生电荷Q，两者的关系可表示为Q=dF 式中，d为压电常数，反映外力与其产生电荷的比例关系，表征压电效应的强弱程度。2023-4-264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。2023-4-2652.压电材料的分类及特性（压电材料的分类及特性（81页）页）压电传感器中的压电元件材料一般有压电传感器中的压
4、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。2023-4-266（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2023-4-267天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）2023-4-268石英晶体切片及封装石英晶体切片及封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2023-4-269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，
5、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2023-4-2610（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BaT
6、iO3等）。等）。2023-4-2611压电陶瓷外形压电陶瓷外形 2023-4-2612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）2023-4-2613高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 2023-4-2614（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等形状。它不易可根据需要制成薄
7、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。2023-4-2615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 2023-4-2616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 2023-4-2617压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 2023-4-2618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
8、）2023-4-26191)压电元件 在压电材料垂直于极化方向的表面（其上呈现电荷）镀上金属电极、接上引线即可构成压电元件。2)等效电路 压电元件可视为电荷发生器。压电元件受外力作用时在垂直于电轴或垂直于极化方向的两个相对表面产生电荷，一个面上聚集正电荷，另一个面上为等量负电荷。当压电元件两表面聚集电荷时它是电容器，其电容量为Ca=s/t=r0s/t式中，s为电容器极板面积(m2)；t为压电元件厚度(m)；为压电材料的介电常数（F/m）；r为压电材料的相对介电常数；0为真空中的介电常数，0=8.851012 F/m；Ca为压电传感器的内部电容（F）。3.3.压电元件的等效电路和测量转换电路压电
9、元件的等效电路和测量转换电路（8181到到8383页）页）2023-4-26202)等效电路 压电元件可等效为一个电荷源与一个电容并联电路。电容器上的电压ua（开路电压）、电荷q与电容Ca三者存在关系：ua=q/Ca，因此，压电元件也可等效为一个电压源与一个电容串联的等效电路，考虑压电传感器的泄漏电阻时，电路如图所示。2023-4-26213）测量电路 压电元件输出信号非常微弱，需放大才能实现测量。但压电元件内阻抗相当高，难以直接使用一般放大器放大。除阻抗匹配问题外，连接电缆长度、噪声都是突出问题。一般都需前置放大，这种电压前置放大器也称为阻抗变换器。压电元件前置放大器的两种形式：电压放大器，
10、输出正比于输入（即压电元件输出的电压）；电荷放大器，输出电压正比于输入电荷。2023-4-2622 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。2023-4-26233）测量电路 两种前置放大器的主要区别：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容变化非常敏感，尤其是对连接电缆长
11、度的变化，适用于快变信号；使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略，适用于慢变信号。电压和电荷放大器连接的等效电路如下。2023-4-26242023-4-2625四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .2023-4-2626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：22
12、0V/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2023-4-2627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：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2023-4-2628其他电荷放大器
13、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2023-4-2629其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）2023-4-2630n4.压电式传感器的结构1）压电式压力传感器使用目的不同，压电式传感器形式不同，但基本原理相同。图示压电式压力传感器的基本结构组成：引线+壳体+基座+压电晶片+受压膜片+导电片等 膜片受力F作用时，压电晶片上产生电荷。每一个压电片上产生的电荷为：q=d11F=d11SP式中，d11为压电系数；F为作用在压电晶片上的力；S为有效膜片面积；P为压强，P=F/S。如果传感器只由一个压电晶片构成，则电荷灵敏度kq=q/P，电压灵敏度ku=U0/P，式中U0为
14、压电晶片的输出电压。2023-4-26312）压电式加速度传感器 又称压电加速度计，用于飞机、车辆等的冲击和振动检测。压电加速度传感器组成：质量块+压电元件+基座等 如图所示，基座用来将传感器与待测物体刚性固定，使基座与待测物以同一加速度运动；压电元件受质量块与加速度方向相反的惯性力作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（或电压）。信号经前置放大器放大后用测量仪器测量幅值，得到物体的加速度。2023-4-26325.5.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）玻璃打碎报警装置装置 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
15、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2023-4-2633高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块 将厚约将厚约0.2mm左右的左右的PVDF薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小。在它大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃
16、上。当玻璃遭暴力打碎贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷动，表面产生电荷Q ，在两个，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。号。2023-4-2634压电传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
17、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，但在50kHz50kHz以上时，灵敏以上时，灵敏度下降）。度下降）。2023-4-2635 （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
18、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。2023-4-2636（3 3）交通监测）交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地（包括轴数、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。控）及
19、机场滑行道等。2023-4-2637高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于柏油公路，平行埋设于柏油公路的路面下约的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据，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。存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。2023-4-2638二、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
20、，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。2023-4-2639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 2023-4-2640压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用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压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力2023-4-2641三、振动测量及频谱
21、分析三、振动测量及频谱分析（1）振动的基本概念）振动的基本概念 振动可分为机械振动、土木结构振动、运输振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分，有高频振动、低频从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。振动和超低频振动等。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。周期振动、非周期振动以及随机振动等。2023-4-2642地震的巨大威力地震的巨大威力 2023-4-2643地震波形地震波形2023-4-2644（2）测
22、振传感器分类）测振传感器分类 测振用的传感器又称拾振器，它有测振用的传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。下面介绍压电式测振传感器及其式等。下面介绍压电式测振传感器及其应用。应用。2023-4-2645（3）压电式振动加速度传感器的）压电式振动加速度传感器的 结构及外形结构及外形 横向振动横向振动测振器测振器纵向振动纵向振动测振器测振器2023-4-2646（4）压电振动加速度传感器的性能指）压电振动加
23、速度传感器的性能指标标（以某小型（以某小型“内装内装ICIC的压电加速度传感器的压电加速度传感器”为为例）例）技术指标：技术指标：灵敏度：灵敏度：500mV/g 量程：量程：10g 频率范围：频率范围：4-4000Hz安装谐振点安装谐振点:15kHz 分辨力：分辨力：0.00004g 重量：重量：40g 安装螺纹：安装螺纹：M5 mm 线性：线性：1%2023-4-2647（5）压电加速度传感器的安装及使用）压电加速度传感器的安装及使用 a)双头螺丝固定双头螺丝固定 b)磁铁吸附磁铁吸附 c)胶水粘结胶水粘结 d)手持探针式手持探针式 1压电式加速度传感器压电式加速度传感器 2双头螺栓双头螺栓
24、 3磁钢磁钢 4粘接剂粘接剂 5顶针顶针 2023-4-2648（6）压电振动加速度传感器）压电振动加速度传感器在汽车中的应用在汽车中的应用 加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞，从而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安而使安全气囊迅速充气，从而挽救生命；还可安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区装在气缸的侧壁上，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而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。扭矩。2023-4-2649爆震波形爆震波形 汽车发动机中的气缸点火时刻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
25、点火必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，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，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，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、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变形，可用压电传感器检测并控制之。之。2023-4-26
26、50爆震测量爆震测量2023-4-2651（7）振动的频谱分析及仪器）振动的频谱分析及仪器 时域图形时域图形 测量时域图形用的是示波器，测量频测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪域图形用频谱仪.2023-4-2652频谱仪频谱仪 频域图形频域图形 （频谱图）（频谱图）频谱图或频域图：它的横坐标为频率频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。2023-4-2653频谱仪外形（续）频谱仪外形（续）频域图频域
27、图 （频谱图）（频谱图）（参考深圳安泰信电子有限公司资料）（参考深圳安泰信电子有限公司资料）2023-4-2654频域图形频域图形 对应于对应于时域波形时域波形（失真的（失真的正弦波）正弦波）的谱线图的谱线图 2023-4-2655振动时域振动时域/频域图形频域图形（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）不同频率的正弦波频谱变化不同频率的正弦波频谱变化2023-4-2656振动时域振动时域/频域图形（续）频域图形（续）（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）包含高次谐波的频谱包含高次谐波的频谱2023-4-2657基波与三次谐波的
28、频谱基波与三次谐波的频谱2023-4-2658基波与基波与3次谐次谐波合成波合成的波形的波形2023-4-2659方波可分方波可分解成同频解成同频基波及基波及3、5、7奇次奇次谐波谐波2023-4-2660依靠频谱分析法依靠频谱分析法进行故障诊断进行故障诊断 减速箱故障分析减速箱故障分析 a）时域波形）时域波形 b）频域波形）频域波形2023-4-2661爆破振动记录仪爆破振动记录仪打印机打印机2023-4-2662 地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生巨
29、大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。海啸预警系统海啸预警系统2023-4-2663气象接收及气象接收及发射天线发射天线振动压力振动压力传感器传感器6000m海底海底浮标浮标深海地沟深海地沟
