第6章-压电传感器1课件

第第6 6章章 压电传感器压电传感器 2024/7/122一、教学目标一、教学目标1、知、知识目目标（1）了解不同了解不同压电材料的材料的结构和特点。构和特点。（2）掌握）掌握压电式式传感器的工作原理及感器的工作原理及测量量转换电路。路。（3）熟悉）熟悉压电式式传感器在工程上的感器在工程上的应用。用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点1、重点：、重点：压电式式传感器的工作原理和感器的工作原理和应用。用。2、难点：点：压电式式传感器的感器的测量量电路。路。三、教学学时三、教学学时 4学学时车辆闯红灯时自动拍照车辆闯红灯时自动拍照6.1 6.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 压电式式传感感器器是是一一种种自自发电式式传感感器器。它它以以某某些些电介介质的的压电效效应为基基础，在在外外力力作作用用下下，在在电介介质表表面面产生生电荷荷，从从而而实现非非电量量电测的目的。的目的。2024/7/124 压电传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以测量量最最终能能变换为力力的的那那些些非非电物物理理量量，例例如如动态力力、动态压力力、振振动加加速速度度等等，但但不能用于静不能用于静态参数的参数的测量量。压电式式传感器具有体感器具有体积小、小、质量量轻、频响响高、信噪比大等特点。由于它没有运高、信噪比大等特点。由于它没有运动部部件，因此件，因此结构构坚固、可靠性、固、可靠性、稳定性高。定性高。想一想想一想 压电传感感器器为什什么么不不能能用用于于静静态参数的参数的测量量？6.1.1 6.1.1 压电效应压电效应正正压电效效应 是指某些是指某些电介介质，当沿着一定方向，当沿着一定方向对其施加其施加压力而使其力而使其变形形时，它的内部就会，它的内部就会产生极化生极化的的现象，同象，同时在它的两个表面上会在它的两个表面上会产生极性生极性相反的相反的电荷，当施加的荷，当施加的压力去掉后，它又重力去掉后，它又重新恢复不新恢复不带电的状的状态；当；当压力的作用方向改力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改，它内部的极性也随着改变。（。（顺压电效效应）打火机打火机2024/7/127压电效效应具有可逆性，它分具有可逆性，它分为正正压电效效应和和逆逆压电效效应。逆逆压电效效应是指当在是指当在电介介质的极化方向的极化方向施加施加电场，这些些电介介质就会在就会在一定方向上一定方向上产生机械生机械变形或机形或机械械压力，当施加的力，当施加的电场撤去撤去时，这些机械些机械变形或机械形或机械压力也随力也随之消失的之消失的现象。（象。（电致伸致伸缩效效应）。）。音音乐贺卡卡由于外力的作用，在由于外力的作用，在压电元件上元件上产生的生的电荷只荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量量转换电路具有路具有无无穷大的大的输入阻抗入阻抗，这实际上是不可能的，所以上是不可能的，所以压电式式传感器感器不能用于静不能用于静态力的力的测量。量。压电元件在交元件在交变力的作用下，力的作用下，电荷可以不断荷可以不断补充，可以供充，可以供给测量量转换电路一定的路一定的电流，因此，流，因此，压电式式传感器只适用于感器只适用于动态测量量。在晶体的在晶体的弹性限度内，在性限度内，在x轴方向上施加方向上施加压力力F x时，在，在x面上面上产生的生的电荷荷为 Q=d11 Fx （5-1）式中，式中，d11为x轴方向受力的方向受力的压电系数（系数（C/N）；）；F x为x轴方向的作用力（方向的作用力（N）。）。6.1.2 6.1.2 压电材料压电材料 压电传感器中的感器中的压电元件材料一般有三元件材料一般有三类：一一类是是压电晶体（如石英晶体）；晶体（如石英晶体）；另一另一类是是 经过极化极化处理的理的 压电陶瓷；第三陶瓷；第三类是高分子是高分子压电材材料。料。2024/7/1211压电材料材料压电晶体晶体压电陶瓷陶瓷高分子高分子压电材料材料1.1.石英晶体石英晶体2024/7/1212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）2024/7/1213石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析石英的晶体石英的晶体结构构为六方晶体系，化学式六方晶体系，化学式为SiO2。（a a）晶体外形）晶体外形 （b b）晶块）晶块图图6-2 6-2 石英晶体石英晶体定定义：x：两平行柱面内：两平行柱面内夹角等分角等分线，垂直此，垂直此轴压电效效应最最强(正正压电效效应最最强）。称。称为电轴。y：垂直于平行柱面，：垂直于平行柱面，在在电场作用下作用下变形最形最大（大（逆逆压电效效应最最强），称，称为机械机械轴。z：无：无压电效效应，中，中心心轴，也称光，也称光轴。（a a a a）不受外力）不受外力）不受外力）不受外力 (b)(b)(b)(b)x x x x轴方向受力轴方向受力轴方向受力轴方向受力 （c c c c）y y y y轴方向受力轴方向受力轴方向受力轴方向受力图图图图6-3 6-3 6-3 6-3 石英晶体的压电效应示意图石英晶体的压电效应示意图石英晶体的压电效应示意图石英晶体的压电效应示意图当石英晶体不受外力作用时，硅离子和当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图外部没有带电现象，见图6-3（a）；当）；当石英晶体在石英晶体在x轴方向受力时，晶体的极面轴方向受力时，晶体的极面A上呈现负电荷，晶体的极面上呈现负电荷，晶体的极面B上呈现正上呈现正电荷，见图电荷，见图6-3(b)；当石英晶体在；当石英晶体在y轴方轴方向受力时，晶体的极面向受力时，晶体的极面A上呈现正电荷，上呈现正电荷，晶体的极面晶体的极面B上呈现负电荷，见图上呈现负电荷，见图6-3（c）。石英晶体在石英晶体在2020200 200 内压电系数内压电系数的变化率小，因而其的变化率小，因而其性能非常稳定性能非常稳定，不足之处在于不足之处在于压电系数较小压电系数较小（d d=2.31=2.3110101212 C/N C/N）。）。因此，石英晶体一般只在因此，石英晶体一般只在标准传感标准传感器、高精度传感器或使用温度较高器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用的传感器中使用。石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片2024/7/1219双面双面镀银并封装并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。2024/7/1220晶振晶振2.2.压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶陶瓷是人工制造的多晶压电材料，材料，是一种能是一种能够将将机械能机械能转换为电能能的陶瓷材料。的陶瓷材料。它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多灵敏度高得多，而，而制造制造成本却成本却较低低，因此目前国内外生，因此目前国内外生产的的压电元元件件绝大多数都采用大多数都采用压电陶瓷陶瓷。常用的常用的压电陶瓷材料有陶瓷材料有锆钛酸酸铅系列系列压电陶瓷（陶瓷（PZT）及非）及非铅系系压电陶瓷陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。2024/7/1221 压电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压电材材料料，由由无无数数细微微的的单晶晶组成成。每每个个单晶晶粒粒形形成成一一个个自自发极极化化方方向向一一致致的的小小区区域域即即电畴畴。刚烧结好好的的压电陶陶瓷瓷内内的的电畴畴是是无无规则排排列列，极极化化方方向向杂乱乱无无章章，其其总极极化化强度度为0，此此时受力受力则无无压电效效应。若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下对它进行度下对它进行极化处理极化处理。将这些材料置于外电场作。将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发自发的极化方向与外电场方向一致的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。陶瓷具有良好的压电特性。（a）未极化的陶瓷）未极化的陶瓷(b)正在极化的陶瓷正在极化的陶瓷（c）极化后的）极化后的陶瓷陶瓷图6-4 压电陶瓷的极化陶瓷的极化过程程1）锆钛酸酸铅系列系列压电陶瓷陶瓷 锆钛酸酸铅系列系列压电陶瓷陶瓷PZT有有较高的高的压电系数系数（d（200500）1012 C/N）和）和居里点居里点（500 左右），是目左右），是目前常采用的一种前常采用的一种压电材料。材料。2）非非铅系列系列压电陶瓷陶瓷 非非铅系列系列压电陶瓷可减少陶瓷可减少铅对环境的境的污染。它染。它们的各的各项性能均已超性能均已超过含含铅系列系列压电陶瓷，是今后陶瓷，是今后压电陶瓷的陶瓷的发展方向。展方向。居里点居里点 19世世纪末，著名物理家居里在自己的末，著名物理家居里在自己的实验室室里里发现磁石的一个物理特性，就是磁石的一个物理特性，就是当磁石加当磁石加热到到一定温度一定温度时，原来的磁性就会消失。，原来的磁性就会消失。后来，人后来，人们把把这个温度叫居里点个温度叫居里点压电陶瓷外形压电陶瓷外形2024/7/1226压电晶体与晶体与压电陶瓷的比陶瓷的比较：相同点相同点：都是：都是具有具有压电效效应的的压电材料。材料。不同点不同点：石英的石英的优点点是它的介是它的介电和和压电常数的常数的温度温度稳定性好定性好，适合做工作温度范，适合做工作温度范围很很宽的的传感器。感器。极化后的极化后的压电陶瓷陶瓷的的压电系数是石英的几十系数是石英的几十倍甚至几百倍，但倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点定性不如石英好，居里点也低。也低。3.3.高分子压电材料高分子压电材料 典型的高分子典型的高分子压电材料有聚偏二氟材料有聚偏二氟乙乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚氯乙乙烯（PVC）等。）等。其中以其中以PVF2的的压电系数最高。系数最高。2024/7/1228高分子高分子压电材料具有以下特点材料具有以下特点：（1）高分子压电材料是柔柔软的的压电材料材料，可根据需要制成薄膜或制成薄膜或电缆套管套管等形状，经过极化极化处理后就会出理后就会出现压电效效应。（2）高分子高分子压电材料材料不易破碎不易破碎，且，且具有防水性具有防水性，可以，可以大量大量连续的拉升的拉升，制成，制成较大面大面积或或较长尺度的形状，因尺度的形状，因此，此，价格便宜价格便宜。（3）高分子压电材料的声阻抗约为0.02 Pas/m3，与与空气的声阻抗有空气的声阻抗有较好的匹配好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。（4）高分子压电材料的工作温度一般低于100，当温度升高温度升高时，其灵敏度降低，其灵敏度降低。（5）高分子压电材料的机械机械强度不高，抗紫外度不高，抗紫外线能力能力较差，不适合暴晒，容易老化。差，不适合暴晒，容易老化。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2024/7/1230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2024/7/1231压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器2024/7/1232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）（逆压电效应）（逆压电效应）2024/7/12336.2 6.2 压电式传感器的测量转换电压电式传感器的测量转换电路路想一想：想一想：压电材料将被测量转化成什么量？压电材料将被测量转化成什么量？由由压压电电元元件件的的工工作作原原理理可可知知,压压电电式式传传感感器器可可以以看看作作一一个个电电荷荷发发生生器器。同同时时,当当压压电电元元件件表表面面聚聚集集电电荷荷时时，相相当当于于一一个个以以压压电电材材料料为为介质的电容器介质的电容器。6.2 6.2 压电式传感器的测量转换电压电式传感器的测量转换电路路6.2.1 6.2.1 压电元件的等效电路压电元件的等效电路则其电容量为则其电容量为 (7-2)(7-2)式中式中:A:A压电片的面积压电片的面积;d d 压电片的厚度压电片的厚度;r r压电材料的相对介电常数压电材料的相对介电常数压电元件的开路电压的表达式为（a a a a）电荷源）电荷源）电荷源）电荷源 (b)(b)(b)(b)电压源电压源电压源电压源图图图图6-6 6-6 6-6 6-6 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式式传感器可以等效感器可以等效为一个一个电荷源荷源，如，如图7-6(a)所示。所示。它也可等效它也可等效为一个一个电压源源，如，如图7-6(b)所示。所示。（a）“串串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串而串联接法接法输出出电压大大，本身，本身电容小，容小，适宜用于以适宜用于以电压作作输出信号，且出信号，且测量量电路路输入阻抗很高的地方入阻抗很高的地方（a）串）串联图6-7 压电元件的元件的连接方式接方式压电元件的连接方式压电元件的连接方式：(b)(b)(b)(b)并联并联并联并联 图图图图6-7 6-7 6-7 6-7 压电元件的连接方式压电元件的连接方式压电元件的连接方式压电元件的连接方式（b）“并联并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法并联接法输出电荷大输出电荷大，本身电容大，时间常数大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。地方。压电传感感器器本本身身的的内内阻阻抗抗很很高高,而而输出出能能量量较小小,因因此此它它的的测量量电路路通通常常需需要要接接入入一一个个高高输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器，其其作作用用为:一一是是把把它它的的高高输出出阻阻抗抗变换为低低输出出阻阻抗抗;二二是是放放大大传感感器器输出的微弱信号。出的微弱信号。压电传感感器器的的输出出可可以以是是电压信信号号,也也可可以以是是电荷荷信信号号,因因此此前前置置放放大大器器也也有有两两种种形形式式:电压放大器放大器和和电荷放大器荷放大器。6.2.3 6.2.3 电荷放大器电荷放大器图6-8 电荷放大器的等效电路由于由于电荷放大器中的反荷放大器中的反馈电容容Cf在在输入端的等效入端的等效电容容满足足Cf（A+1）（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略），因而可以忽略电缆电容容Cc和前置放大器的和前置放大器的输入入电容容Ci的影响。因的影响。因此，此，电荷放大器荷放大器输出出电压的表达式的表达式为 （6-6）由式（6-6）可以得出以下几点结论：（1）电荷放大器的荷放大器的输出出电压 只与只与输入入电荷量荷量Q和反和反馈电容容Cf有关有关，而与放大器的放大系数而与放大器的放大系数A、电缆电容容Cc和前置放大器的和前置放大器的输入入电容容Ci等的等的变化均无关。化均无关。（2）只要保持反）只要保持反馈电容容Cf的数的数值不不变，就可得到与，就可得到与输入入电荷量荷量Q变化成化成线性关系性关系的的输出出电压。（3）压电式式传感器感器产生的生的电荷量荷量Q一定一定时，反反馈电容容Cf越小，越小，输出出电压 就越大。就越大。（4）要达到一定的）要达到一定的输出灵敏度要求，就必出灵敏度要求，就必须选择适当适当的反的反馈电容容Cf。（5）输出出电压与与电缆电容容Cc无关条件无关条件是是 Cf（A+1）（Ca+Cc+Ci）。6.2.4 6.2.4 电压放大器电压放大器 有足够的放大倍数，较高的输入阻抗有足够的放大倍数，较高的输入阻抗 （a）（b）图6-9 电压放大器的等效电路及其简化电路电荷放大器外形电荷放大器外形2024/7/12466.3.16.3.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器 测振振用的用的传感器又称拾振器，它有感器又称拾振器，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、式、电感式、感式、压电式等；非接触式中式等；非接触式中又有又有电涡流式、流式、电容式、霍容式、霍尔式、光式、光电式等。下面介式等。下面介绍压电式式测振振传感器及其感器及其应用。用。2024/7/12476.3 压电传感器的感器的应用用压电式振动加速度传感器的结构及外形压电式振动加速度传感器的结构及外形 2024/7/1248横向振横向振动测振器振器纵向振向振动测振器振器1.1.压缩式压电加速度传感器压缩式压电加速度传感器图6-11 压缩式压电加速度传感器的结构2.2.纵向效应式压电加速度传感器纵向效应式压电加速度传感器图6-12 纵向效应式压电加速度传感器的结构1电极；2质量块；3螺母；4压电陶瓷；5基座3.3.剪切式压电加速度传感器剪切式压电加速度传感器图6-13 剪切式压电加速度传感器的结构4.4.弯曲式压电加速度传感器弯曲式压电加速度传感器图6-14 弯曲式压电加速度传感器的结构6.3.2 6.3.2 压电式测力传感器压电式测力传感器图6-15 压电式三向动态测力仪的结构6.3.3 6.3.3 压电式血压传感器压电式血压传感器图6-16 压电式血压传感器的结构6.3.4 6.3.4 压电式流量计压电式流量计图6-17 压电式流量计的结构6.3.5 6.3.5 高分子压电材料的应用高分子压电材料的应用 2024/7/1256粘贴位置粘贴位置1.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。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2024/7/1257 将将厚厚约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡导电电极极，再再用用超超声声波波焊接接上上两两根根柔柔软的的电极极引引线。并并用用保保护膜覆盖。膜覆盖。使用使用时，用瞬干胶将其粘，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬瞬间，压电薄膜感受到薄膜感受到剧烈振烈振动，表面表面产生生电荷荷Q，在两个，在两个输出引出引脚之脚之间产生窄脉冲生窄脉冲报警信号。警信号。2 2 2 2压电式周界报警系统压电式周界报警系统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）（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）将将长的的压电电缆埋在泥埋在泥土的浅表土的浅表层，可起分布式地，可起分布式地下麦克下麦克风或听音器的作用，或听音器的作用，可在几十米范可在几十米范围内探内探测人的人的步行步行,对轮式或履式或履带式式车辆也可以通也可以通过信号信号处理系理系统分分辨出来。右辨出来。右图为测量系量系统的的输出波形。出波形。2024/7/12583.3.交通监测交通监测 将高分子将高分子压电电缆埋在公路上，可以埋在公路上，可以获取取车型分型分类信息（包括信息（包括轴数、数、轴距、距、轮距、距、单双双轮胎）、胎）、车速速监测、收、收费站地磅、站地磅、闯红灯拍照、停灯拍照、停车区域区域监控、交控、交通数据信息采集（道路通数据信息采集（道路监控）及机控）及机场滑行道等。滑行道等。2024/7/1259高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋相距若干米，平行埋设于柏油于柏油公路的路面下公路的路面下约5cm，可以用来，可以用来测量量车速及汽速及汽车的的载重量，重量，并根据存并根据存储在在计算机内部的档案数据，判定汽算机内部的档案数据，判定汽车的的车型。型。2024/7/1260感 谢 聆 听