1、4.6 壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng), 是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時, 其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小, 重量輕, 工作頻帶寬等特點, 因此在各種動態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動的測量, 以及聲學(xué)、 醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。 7/26/20221第四章 非電量的電測技術(shù)一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時, 電荷的極性也隨之改變。把這種機(jī)械能

2、轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象, 稱為“正壓電效應(yīng)”。有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。_y逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)7/26/20222第四章 非電量的電測技術(shù) 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 7/26/20223第四章 非電量的電測技術(shù)二、壓電材料及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體（如石英晶體）；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；高分子壓電材料。7/26/20224第

3、四章 非電量的電測技術(shù)1、石英晶體石英晶體是最常用的壓電晶體之一。 它理想的幾何形狀為正六面體晶柱。在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向軸Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的x軸稱為電軸；與x軸和z軸同時垂直的y軸稱為機(jī)械軸。xyz7/26/20225第四章 非電量的電測技術(shù)石英晶體的三個晶軸光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。機(jī)械軸（Y軸）：垂直xz面，在電場作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯，電軸（X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強。7/26/20226第四章 非電量的電測技術(shù)2、壓電陶瓷壓電陶瓷與石英晶體

4、不同，前者是人工制造的多晶體壓電材料，而后者是單晶體。壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時，不具有壓電效應(yīng)；經(jīng)過極化處理后，它的壓電效應(yīng)非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，為石英晶體的幾百倍。壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu)7/26/20227第四章 非電量的電測技術(shù)壓電陶瓷產(chǎn)品壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。7/26/20228第四章 非電量的電測技術(shù)3、高分子壓電材料 典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（

5、PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。7/26/20229第四章 非電量的電測技術(shù)三、壓電傳感器的等效電路和測量電路 壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為0為真空介電常數(shù)；為壓電材料的相對介電常數(shù)；為壓電元件的厚度；S為壓電元件極板面積。（一）等效電路7/26/202210第四章 非電量的電

6、測技術(shù)因此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個電壓源與電容串聯(lián)。1、等效電路電荷等效電路電壓等效電路7/26/202211第四章 非電量的電測技術(shù)2、完整等效電路 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。圖4-110 壓電傳感器的實際等效電路7/26/202212第四章 非電量的電測技術(shù)3、靈敏度既然壓電傳感器可以等效為電壓源或電荷源，那么，壓電傳感器的靈敏度也有兩種表示方式。一種用單位外力作用下產(chǎn)生的電壓表示，稱為電壓靈敏度，用ku表示，ku=u/F；另一種則可用單位外力作用下產(chǎn)生的電荷表示

7、，稱為電荷靈敏度，用kq表示，kq=q/F。電壓靈敏度與電荷靈敏度的關(guān)系用下式表示：7/26/202213第四章 非電量的電測技術(shù)（二）測量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小， 因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。7/26/202214第四章 非電量的電測技術(shù)1、電壓放大器若壓電元件受正弦力F=Fmsint的作用, 則其電壓為電阻R=RaRi/(Ra+Ri) 電容C=Cc+Ci, ua

8、=q/Ca送入放大器輸入端的電壓為：uaCa7/26/202215第四章 非電量的電測技術(shù)前置放大器的輸入電壓的幅值:輸入電壓和作用力之間相位差:理想情況下, 傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大, 即（Ca+C）R1, 那么理想情況下輸入電壓幅值Uim:7/26/202216第四章 非電量的電測技術(shù)7/26/202217第四章 非電量的電測技術(shù) 討論=0（靜態(tài)量）時Uim=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測量靜態(tài)量3（高頻情況），Uim/Uam1，實際接近理想輸入電壓與作用力頻率無關(guān)一定，越高，高頻響應(yīng)越好對低頻測量情況：一定，偏差越大

9、所以要求要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍輸出電壓靈敏度受電纜分布電容影響7/26/202218第四章 非電量的電測技術(shù) 改善低頻特性的措施：可根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器Ri7/26/202219第四章 非電量的電測技術(shù)2、電荷放大器為改善壓電傳感器的低頻特性，常采用電荷放大器。電荷放大器由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成，電荷放大器等效電路：q輸出與電纜電容無關(guān)電荷放大器的輸出電壓只取決于輸入電荷和反饋電容，且與q成正比，與電纜電容無關(guān)，因此可以采用長電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量，并且電纜電容變化也不影響靈敏度，這是電荷放大器的最大特點。7/26/202220第四章 非電量的電測技術(shù) 電荷放大器能將壓電

10、傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。四通道電荷放大器外形電荷放大器外形7/26/202221第四章 非電量的電測技術(shù)四、壓電傳感器應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu)：壓電片用高壓電系數(shù)的壓電陶瓷制成。兩個壓電片并聯(lián)。質(zhì)量塊用高比重的金屬塊，對壓電元件施加預(yù)載荷。測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小?；鶜んw彈簧質(zhì)量塊壓電片F(xiàn)=ma,Fa又qFqa7/26/202222第四章 非電量的電測技術(shù)（二）交通監(jiān)測 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、

11、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。7/26/202223第四章 非電量的電測技術(shù)高分子壓電電纜的應(yīng)用演示 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。 7/26/202224第四章 非電量的電測技術(shù)（三）壓電式玻璃破碎報警器將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。 粘貼位置使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。7/26/202225第四章 非電量的電測技術(shù)帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號通過，其它頻段的信號濾除。 比較器作用是當(dāng)傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時, 輸出報警信號, 驅(qū)動報警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如進(jìn)行聲光報警。7/26/202226第四章 非電量的電測技術(shù)（四）壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切