第十二次课第七章压电传感器5月27

由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。
第七章 压电式传感器

压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电 效应, 是典型的有源传感器。 当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从 而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小, 重量 轻, 工作频带宽等特点, 因此在各种动态力、 机械冲 击与振动的测量, 以及声学、 医学、力学、宇航等方 面都得到了非常广泛的应用。

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。
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三、压电传感器的等效电路和测量电路
以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而 输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为 了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一 个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。
三、压电传感器的等效电路和测量电路 （一）等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要 聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于 一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为
A
KT e
ln
N AT N BT
T
B
T0
热电效应－回路总电势
EA (T , T0 )
A
EAB (T )
EAB (T0 )
B
EB (T , T0 )
EAB (T , T0 ) EAB (T ) EB (T , T0 ) EAB (T0 ) EA (T , T0 )
忽略温差电势后有： EAB (T , T0 ) EAB (T ) EAB (T0 )
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1、电压放大器 Ca
电阻R=RaRi/(Ra+Ri) 电容C=Cc+Ci,
ua
ua=q/Ca

若压电元件受正弦力F=Fmsinω t的作用, 则其电压为
q d33 F d33 Fm sin t
d 33 Fm U sin wt Ca
送入放大器输入端的电压为：
电荷等效电路
电压等效电路
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2、完整等效电路
压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容 CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的 泄漏电阻Ra。
压电传感器的实际等效电路
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3、灵敏度 既然压电传感器可以等效为电压源或电荷源，那 么，压电传感器的灵敏度也有两种表示方式。
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（四）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
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（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量双腿 跳的动态力
压电式步态分析 跑台 压电式纵跳训练分析 装置
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思考题
1.
2.
3.
什么是正压电效应和逆压电 效应？ 压电传感器能否用于静态测 量? 电荷放大器和电压放大器有 何特点？
即ω （Ca+C）R》1, 那么理想情况 下输入电压幅值Uim:
d 33 Fm U im Ca C
U im R(Ca C ) 2 2 U am 1 (R) (Ca C )


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U im R(Ca C ) 2 2 U am 1 (R) (Ca C )
（一）压电式加速度传感器
1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个 压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件 施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加 速度的大小。
壳体 F=ma,F∝a 弹簧 质量块 压电片 基座
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又q∝F
∴q∝a
（二）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。
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简要复习
1.理解压电传感器工作原理； 2.会分析设计等效电路、测量电路； 3.会使用压电传感器 预习： 霍尔传感器
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第四章 非电量的电测技术
r 0 S Ca
ε 0为真空介电常数；ε r为压电材料的相对介电常数； δ 为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。
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1、等效电路
因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联 的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。
Ca
q
Ca
q Ua Ca
q Ua Ca
Ua
固定T0后有：
EAB (T , T0 ) f (T ) C
热电偶测温基本定律
T T0 1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导 体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产 生热电动势。
T
T0
V
2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只 要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响 热电偶回路的总热电动势。


光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现 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。
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2、压电陶瓷



压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体 压电材料，而后者是单晶体。 压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经 过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的 压电系数，为石英晶体的几百倍。 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构
y
压电效应
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逆压电效应
7
_
在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应
十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛
酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
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二、压电材料及特性

压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
1. 2.
3.
压电晶体（如石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
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1、石英晶体


石英晶体是最常用的压电晶体之一。 它理想的几何形状 为正六面体晶柱。 在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z 称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电 轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。
z
x
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y
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石英晶体的三个晶轴


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一、压电效应


天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切 割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格 产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成 正比，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现 象, 称为“正压电效应”。有一些人造的材料也具有 压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生 机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消 失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。
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电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为 电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只 是一种习惯叫法。
电荷放大器外形
四通道电荷放大器外形
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四、压电传感器应用
压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力、 位移、振动加速度等。 （1）基座和外壳 （2）压电元件 （3）敏感元件 （4）预载件 （5）引线及插件
a. 一种用单位外力作用下产生的电压表示，称为电压 灵敏度，用ku表示，ku=u/F；
b. 另一种则可用单位外力作用下产生的电荷表示，称 为电荷灵敏度，用kq表示，kq=q/F。 电压灵敏度与电荷灵敏度的关系用下式表示：
ku
kq Ca
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（二）测量电路


压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的 前置放wk.baidu.com器，其作用： 1. 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 2. 二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器 和电荷放大器。
U i d 33 F
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jwR 1 jwR(C Ca )
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前置放大器的输入电压的幅值:
U im

2
d33 FmR 1 2 R 2 (Ca C )
arctan[ (Ca C ) R ]
输入电压和作用力之间相位差:
理想情况下, 传感器的Ra电阻值与 前置放大器输入电阻Ri都为无限大,
热电偶测温基本定律
3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如
果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后 的热电动势可用下式求得：
E AB (T , T0 ) E AC (T , T0 ) ECB (T , T0 )
A A C T0 C — T B
T
B
T0 = T
T0
粘贴 位置
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。
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☎带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，
其它频段的信号滤除。 ☎比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时, 输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。如进行声光 报警。
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改善低频特性的措施：
RC C 、R
U im 灵敏度：k Fm
d33 1 (Ca C ) 2 (R) 2
d33 R 1 k Ca C
C k
R (Ra、 i ) R
∴可根据给定精度合理选择电压放大器Ri
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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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（三）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。
前次课程简要回顾－热电偶
热电效应
将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合 回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产 生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。
原理－热电效应
温差电动势
T
接触电动势
A
T0
B
E A(T ,T0 )
K e

1 NA T0
T
d ( N At )
E AB (T )
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压电陶瓷产品

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） 及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。
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3、高分子压电材料
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2、电荷放大器

为改善压电传感器的低频特性，常采用电荷放大器。 电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构 成，电荷放大器等效电路：

输出与电缆电容无关

q
q Uo Cf
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电荷放大器的输出电压只取 决于输入电荷和反馈电容， 且与q成正比，与电缆电容 无关，因此可以采用长电缆 进行远距离测量，并且电缆 电容变化也不影响灵敏度， 这是电荷放大器的最大特点。


令：
1
1
R（Ca C )
U im 2 U am 1
1
2
1 1 arctg ( ) arctg ( ) 2 2 1
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讨论




ω =0（静态量）时→Uim=0（输入电压为零） 原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所 以不能测量静态量 ω τ >>3（高频情况），Uim/Uam≈1，实际接近理想 输入电压与作用力频率无关 τ 一定，ω 越高，高频响应越好 对低频测量情况：τ 一定，ω ↓偏差越大 所以要求τ 要大，扩大低频响应范围 输出电压灵敏度受电缆分布电容影响