压电式传感器 (2)知识讲解

2020/8/20
42
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
2020/8/20
43
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
2020/8/20
44
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
2020/8/20
45
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
锡导电电极，再用超声波焊接上
两根柔软的电极引线。并用保护
膜覆盖。
质量块
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。
2020/8/20
48
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 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。
为无限大，即ω(Ca+Ce+Ci)R>>1，此时输入电压
幅值Uim为：
Uim
Ca
dFm Ce Ci
放大器输入电压Uim与频率无关。实际应用中，当 ω/ω0>3时，就可认为以上式成立。
0 1Ca C1e CiR
注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感 器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。
2020/8/20
2020/8/20
32
3、压电元件的连接
多片压电元件的组合
单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传
感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上 同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性 因素，其连接法分为串联和并联两种。
2020/8/20
33
1）串联 CeC n UenUQeQ
串联使压电传感器时间常数减小， 电压灵敏度增大，适合于电压输出、高 频信号测量场合。
q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数;
F——作用力。
2020/8/20
25
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电 陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温 度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡 （BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系 数和较高的工作温度。
上式变为：
Uo
q Cf
电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷q（成正比） 和反馈电容Cf（100～104pF）有关，而与电缆电容 Ce无关
2020/8/20
41
五、应用
石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器 广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机
等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电 子、电子游戏机等领域
2020/8/20
双 面 镀 银 并 封 装
7
石英晶体化学式为 SiO2, 是单晶体结 构。右图表示了天 然结构的石英晶体 外形。它是一个正 六面体。
特点：1）晶体各个方向的特性不相同 2）Z轴（光轴）方向没有压电效应 3）X轴（电轴）面压电效应最强 4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大
2020/8/20
2020/8/20
46
玻璃打碎报警装置
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。
2020/8/20
粘贴 位置
47
高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器
将厚约0.2mm左右的PVDF
薄膜裁制成1020mm大小。在它
的正反两面各喷涂透明的二氧化
•外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电 畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。
•外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度 很大, 这时的材料才具有压电特性。
2020/8/20
24
压电陶瓷的正压电效应：
•当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时, 电畴的界限 发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而 在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 •电荷量的大小与外力成正比关系:
应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测 等应用，在生物医学领域广泛应用。
2020/8/20
27
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
2020/8/20
28
三、压电式传感器
1、概述 压电式传感器的基本原理是利用压电材料
的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传 感器就有电荷（或电压）输出。
2020/8/20
26
3、新型压电材料——压电聚合物PVDF
PVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏 二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现，具有很强 的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元 件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。
优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉 接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。
2020/8/20
19
2、压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部 的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而 存在电场。
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极 化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始 的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
2020/8/20
18
石英晶体压电模型
当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性 也随之改变，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 电而很快泄漏、消失。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方 向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负 电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生 压电效应。
电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量
回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以 压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力 的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量 回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在 。 50kHz以上时，灵敏度下降）
2020/8/20
29
2、等效电路
压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质 上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面 相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电 容量为：
2020/8/20
37
当受正弦力f＝Fmsinωt 作用时：
压电元件输出电压：
U adCam Fsi ntUmsi nt
放大器输入端电压为：
U i dm F1jR j C RaCsi nt
放大器输入端电压幅值为：
Uim
dm F R
12R2CaCeCi
2020/8/20
38
理想情况下，传感器电阻Ra和放大器输入电阻Ri都
20
压电陶瓷及其换能器外形
2020/8/20
21
无铅压电陶瓷及其换能器外形
2020/8/20
22
压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体
极化前
极化时
极化后
电畴无序排列
2020/8/20
电畴有序排列 电畴基本有序
23
压电陶瓷
•在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于 按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。
第6章 压电式传感器
压电式传感器的工作原理
1880年居里兄弟 研究石英时发现
某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电 荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种 有源传感器。
特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大
应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲 击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、 医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。
39
2、电荷放大器
图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca
由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分 流，故可略去R。
2020/8/20
40
根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器 得输出电压：
UoCaCeC Ai q1ACf
通常A=104~108，当有（1＋A）Cf>>Ca+Ce+Ci时，
※ 但不适用于静态参数的测量 ※
2020/8/20
1
一、压电效应
正压电效应： ★ 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 ★ 去掉外力后，电荷消失，状态复原 ★ 作用力相反，电荷极性也发生变化
机械量
压电元件
电量
逆压电效应（电致伸缩效应）：
当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发 生形变。
13
石英晶体压电模型
x y
2020/8/20
- --- - -
P1
P2
P3
在x轴的正方 向出现正电荷, 电偶极矩在y 方向上的分量 仍为零, 不出 现电荷。
+ + + +++
14
石英晶体压电模型
------------
P1
P2
P3
x y
++++++++++++
2020/8/20