2.6压电式检测元件

＋ ＋ ＋ － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － ＋ ＋ ＋ － － －
＋
－
＋
粘结剂 (a) 同极性粘结 (b) 不同极性粘结
－
从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变 形和电荷数量大小都与单片时相同。 图(a)从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外 力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电 压与单片时相同。 图(b)从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大 了1倍。
使用时，用瞬干胶将其粘贴 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动， 表面产生电荷Q ，在两个输出引 脚之间产生窄脉冲报警信号。
2 检测技术与检测元件
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
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
QXY PXY S d12s Y S d12 FY a ac d12 FY bc b
FY －－－－ + + ++ (c) FY
++ + +
－－ － －
(d)
式中 d12——石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。 根据石英晶体轴对称条件：d11=－d12，则上式为
Q XY a d11 FY b
2 检测技术与检测元件
在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带 正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平 面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。
X +
FX +
+ +
X
FX
－
+
－
+ (b)
－ －
+ +
－
－
(a)
－ －
*18
2 检测技术与检测元件
如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向， 其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、 X X （d），此时电荷的大小为
当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压 ，其大小为
Ua
q Ca
电极 q q Ca
压 电 晶 体
*25
2 检测技术与检测元件
压电式检测元件（传感器）等效电路
压电传感器可等效为电压 源 Ua 和 一 个 电 容 器 Ca 的 串联电路，如图(a)； 也可等效为一个电荷源 q 和一个电容器Ca的并联电 路，如图(b)。
a、c——石英晶片的长度和宽度
*15
Fx Pxx d11s xx d11 ac 极化强度Pxx在数值上等于晶面上的电荷密度，即
Qxx Pxx ac
2 检测技术与检测元件
式中 Qxx——垂直于X轴平面上的电荷。
Qxx d11Fx
结论：当晶片受到X向的压力 作用时，
Qxx与作用力Fx成正比， 而与晶片的几何尺寸无关。 *16
料，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80dB。
2 检测技术与检测元件
高分子压电薄膜及拉制
2 检测技术与检测元件
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
2 检测技术与检测元件
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
带式车辆也可以通过信号
处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。
2 检测技术与检测元件
3.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（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（道路监控）及机场滑行道等。
2 检测技术与检测元件
高分子压电 电缆的应用
演示
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5cm，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。
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二、压电陶瓷传感器的应用
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 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Q并 为单片电荷Q的两倍。
* 3
2 检测技术与检测元件
压力变送器部件
压电传感器的外形
各种小巧的压力传感器
压力变送器
* 4
2 检测技术与检测元件
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号 压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计
* 5
2 检测技术与检测元件
2.6.1压电效应与压电材料
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 * 6 快泄漏、消失。
z
y x
*11
2 检测技术与检测元件
(2)石英晶体 的 三个晶轴
• 光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有折射 现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。 • 机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方 向的机械变形最明显。 • 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上 压电效应最强。
机 械 能 电 能
压电元件
2 检测技术与检测元件
2.6.2压电式检测元件的等效电路及连接方式
（1）等效电路
压电晶体承受被测机械力作用时，在它的两个极板面 上出现极性相反但电量相等的电荷。显然可以把压电元 件看成一个电荷源（静电发生器）；也可以把它视为一 个极板上聚集正电荷，一个极板上聚集负电荷，中间为 绝缘体的电容，如图所示。其电容量为 A r 0 A Ca h h
2 检测技术与检测元件
1、顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外 力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表 面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电 状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺 压电效应或正压电效应，又称为压电效应。 2、逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时， 电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机 械应力，这种将电能转换成机械能的现象称逆压 电效应,又称为电致伸缩效应。
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。
2 检测技术与检测元件
（二）压电陶瓷
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
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 。常用的压电陶
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
2 检测技术与检测元件
2.检测技术与 检测元件
第5节 压电式检测元件
1
2 检测技术与检测元件
基本要求
1.掌握压电式检测元件的工作原理、等效电路 及测量电路 2.掌握压电元件常用结构形式 3.了解压电式传感器的结构
* 2
2 检测技术与检测元件
压电式检测元件概述
• 力敏感传感器，可测如力、压力、加速度 等 • 双向传感器 • 体积小、重量轻 • 结构简单、工作可靠 • 频响宽 • 最常用的压电材料是石英晶体和压电陶瓷
此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在
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 （一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏 度下降）。
2 检测技术与检测元件
2．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）
将长的压电电缆埋在
泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内 探测人的步行, 对轮式或履
压电特性与晶体内部结构变化
• 如果对石英晶体各个方向施加相等的作用力时，晶体表面 有电荷产生吗? • 沿z轴方向施加作用力时有电荷产生吗？
2 检测技术与检测元件
压电效应是可逆的
在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形 变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效 应”。 •所以压电元件可以将机械能——转化成电能 也可以将电能——转化成机械能。
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
2 检测技术与检测元件
压电陶瓷外形
2 检测技术与检测元件
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
2 检测技术与检测元件
（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
（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性
聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材
※通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵 向压电效应”, 把沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为“横向压电效应”。 而沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。
*12
2 检测技术与检测元件
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体 切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z 轴，如图。 *13
Ca
q
Ua
Ua＝q/ Ca
Ca
q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
电压或电荷能长期保存下来吗？
*26
2 检测技术与检测元件
• 传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无 穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才 能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规 律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极 为不利，必然带来误差。 • 事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负 载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地 作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电 晶体不适合于静态测量。