1、第六章第六章 压电式传感器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内容提要内容提要学习目标学习目标 掌握正压电效应、逆压电效应定义；理解掌握正压电效应、逆压电效应定义；理解压电晶体及压电陶瓷产生压电效应原因；掌压电晶体及压电陶瓷产生压电效应原因；掌握横向、纵向压电效应定义；熟悉压电传感握横向、纵向压电效应定义；熟悉压电传感器连接方式及测量电路原理；了解压电传感器连接方式及测量电路原理；了解压电传感器应用。器应用。第六章第六章 压电式传感器压电式传感器
2、压电式传感器的原理：压电式传感器的原理：是以某些电介质的压电是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。电荷，从而实现非电量测量。特点：特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。点。应用领域：应用领域：压电传感元件是力敏感元件，它可以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非电物理量，例如动态力、动测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度，在工
3、程力学、生物医学、石油态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。第六章第六章 压电式传感器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、压电效应二、石英晶体（二、石英晶体（SiO2）的压电效应）的压电效应三、陶瓷的压电效应三、陶瓷的压电效应四、压电材料四、压电材料第六章第六章 压电式传感器压电式传感器一、压电效应一、压电效应 顺（正）压电效应：顺（正）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使它对其施力而使它变形时，内部就产生变形时，
4、内部就产生极化极化现象，同时在它的现象，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，又重上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态新恢复到不带电状态;当作用力方向改变时，电荷当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。为正压电效应或顺压电效应。返回返回第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章 压电式传感器
5、压电式传感器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向极化方向施加电场，这些电介质就施加电场，这些电介质就在在一定方向一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。逆压电效应逆压电效应返回返回第六章第六章 压电式传感器压电式传感器二、石英晶体（二、石英晶体（SiOSiO2 2）的压电效应的压电效应ZXY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X XX X轴称为轴称为电轴电轴与与X XX X
6、轴和轴和Z ZZ Z轴同轴同时垂直的时垂直的Y YY Y轴（垂轴（垂直于正六面体的棱面）直于正六面体的棱面）称为称为机械轴机械轴第六章第六章 压电式传感器压电式传感器(a)(a)晶体外形；晶体外形；(b)(b)切割方向；切割方向；(c)(c)晶片晶片 第六章第六章 压电式传感器压电式传感器1 1、石英晶体产生压电效应原理、石英晶体产生压电效应原理XY+-YX+“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。第六章第六章 压电式传感器压电式传感器F F=0=0时时正、负离子在正六边形顶角正、负离子在正六边形顶角P P1 1、P P2 2、P P3 3互成互成120120夹角夹角正负电荷中心重合正负电
7、荷中心重合电偶极矩的矢量和等于零电偶极矩的矢量和等于零 P P1 1P P2 2P P3 30 0 Y Y+-X XP P1 1P P2 2P P3 3第六章第六章 压电式传感器压电式传感器受受X X方向压力（方向压力（F FX X000（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=0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。+X XY Y+-P P1 1P P2 2P P3 3F FX XF FX X第六章第六章 压电式传感器压电式传感器（P1+P2+P3）X0（P1
8、+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0受受X方向拉力（方向拉力（FX0）P1增大，增大，P2、P3减小减小在在X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。这种沿这种沿X X轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X X轴晶面上产生电轴晶面上产生电荷的现象即为荷的现象即为纵向压电效应纵向压电效应。Y+-X-P2P3P1+FXFX第六章第六章 压电式传感器压电式传感器受受Y Y轴拉力轴拉力F FY Y0 0 与与X X方向压力方向压力（F FX X000X X轴的正向轴的正向:正电荷正电荷Y Y、Z Z轴方向无电荷轴方向无电荷+XY+-P1P2P
9、3FYFY第六章第六章 压电式传感器压电式传感器受受Y Y轴压力轴压力F FY Y0 0 与与X X轴拉力轴拉力（F FX X 0 0）相同）相同 P P1 1+P P2 2+P P3 3)X X0C Ce e+C Cc c+C Ci i时时2 2、电荷放大器、电荷放大器返回返回第六章第六章 压电式传感器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、压电式压力传感器一、压电式压力传感器二、压电式力传感器二、压电式力传感器三、压电加速度传感器三、压电加速度传感器四、交通监测四、交通监测 五、压电式玻璃破碎报警器五、压电式玻璃破碎报警器六、压电式声传感六、压电式声传感器器七、七、压
10、电式流量计压电式流量计八、八、压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用第六章第六章 压电式传感器压电式传感器一、压电式压力传感器一、压电式压力传感器Fdq11第六章第六章 压电式传感器压电式传感器1 1、膜片压力传感器、膜片压力传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器2 2、活塞压力传感器、活塞压力传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器二、压电式力传感器二、压电式力传感器1 1、单向测力传感器、单向测力传感器 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，外力作用使它产生弹性变形，
11、将力传递到石英晶片上。石英晶片采用传递到石英晶片上。石英晶片采用xyxy切型，切型，利利用其纵向压电效应，用其纵向压电效应，通过通过d d1111实现力实现力电转换。电转换。第六章第六章 压电式传感器压电式传感器2 2、动态切削力的测量、动态切削力的测量 第六章第六章 压电式传感器压电式传感器3 3、体育动态测量中应用、体育动态测量中应用压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置测量双腿跳的动态力测量双腿跳的动态力第六章第六章 压电式传感器压电式传感器三、压电加速度传感器三、压电加速度传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器四、交通监测四、交通监测
12、 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约路的路面下约5cm5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，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。并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。可以获取车型可以获取车型分类信息（包括轴分类信息（包括轴数、轴距、轮距、数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车闯红灯拍照、停车区域监控、交通数区域监控、交通数据信息采集（道路据信息采集（道路监控）及机场滑行监控）及机场滑行道等。道等。第六
13、章第六章 压电式传感器压电式传感器五、压电式玻璃破碎报警器五、压电式玻璃破碎报警器 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以将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出的振动，并将电压信号感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。传送给集中报警系统。粘贴粘贴位置位置使用时，用瞬干胶将使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生剧烈振动，表面产生电荷电荷Q Q ，在两个输出，在两个输出引脚之间产生窄脉冲引脚之间产生窄脉冲报警信号。报警信号。第六章第六章 压电式传感
14、器压电式传感器广泛用于文物保管、广泛用于文物保管、贵重商品保管及其贵重商品保管及其它商品柜台保管等它商品柜台保管等场合。场合。第六章第六章 压电式传感器压电式传感器六、压电式声传感器六、压电式声传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器 根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的分布情况七、七、压电式流量计压电式流量计流量显示流量显示输出信号输出信号换能器换能器换能器换能器接收接收接收接收发射发射发射发射 压电超声换能压电超声换能器每隔一段时间器每隔一段时间(如如1/100s)1/100s)发射和接收发射和接收互换
15、一次。在顺流互换一次。在顺流和逆流的情况下，和逆流的情况下，发射和接收的相位发射和接收的相位差与流速成正比。差与流速成正比。第六章第六章 压电式传感器压电式传感器A AB BO O点点L LA AL LB B地地 面面L L 如果地面下一均匀的自来水直管道某处如果地面下一均匀的自来水直管道某处O O发生漏水，发生漏水，水漏引起的振动从水漏引起的振动从O 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 A、B B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O O点传来的点传来的t t0 0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出时刻发出的振动
16、信号所用时间差可计算出L LA A或或L LB B。八、八、压电式传感器在测漏中的应用压电式传感器在测漏中的应用第六章第六章 压电式传感器压电式传感器两者时间差为两者时间差为t=tA-tB=（LA-LB）/v22vtLLvtLLBA又又L=LL=LA A+L+LB B ，所以，所以 第六章第六章 压电式传感器压电式传感器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 道道第六章第六章 压电式传感器压电式传感器产品产品压力变送器压力变送器加速度计加
17、速度计力传感器力传感器 脉搏计脉搏计第六章第六章 压电式传感器压电式传感器本章总结本章总结1 1、顺（正）压电效应顺（正）压电效应2 2、逆压电效应逆压电效应3 3、石英晶体压电效应原理石英晶体压电效应原理4 4、纵向压电效应纵向压电效应5 5、横向压电效应横向压电效应6 6、石英晶体压电效应结论石英晶体压电效应结论7 7、陶瓷的压电效应陶瓷的压电效应8 8、陶瓷压电效应计算陶瓷压电效应计算1010、压电材料、压电材料1111、压电晶片连接方式压电晶片连接方式1212、压电传感器等效电路、压电传感器等效电路1313、电压放大器电压放大器1414、电荷放大器电荷放大器第六章第六章 压电式传感器压
18、电式传感器第六章第六章 压电式传感器压电式传感器习题习题|6.1 6.1 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？什么是正压电效应？什么是逆压电效应？|6.2 6.2 为什么压电传感器通常用来测量动态参量？为什么压电传感器通常用来测量动态参量？|6.36.3试叙述石英晶体和压电陶瓷的产生压电效应过程；试叙述石英晶体和压电陶瓷的产生压电效应过程；石英晶体纵向、横向压电效应的产生与外力作用的关石英晶体纵向、横向压电效应的产生与外力作用的关系？系？|6.4 6.4 压电晶片有哪些连接方式？各有什么特点？用在压电晶片有哪些连接方式？各有什么特点？用在何种场合？后接何种测量电路？何种场合？后接何种测量电路？|6.5 6.5 用一压电传感器测一正弦变化的力，采用电荷放用一压电传感器测一正弦变化的力，采用电荷放大器，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电系数为大器，压电元件用两片压电陶瓷并联，压电系数为1901901010-12-12C/NC/N，电荷放大器中的运放为理想运放，反，电荷放大器中的运放为理想运放，反馈电容为馈电容为3800pF3800pF，实际测得放大器输出电压为，实际测得放大器输出电压为10sint10sint（V V），试求此时的作用力），试求此时的作用力F F。
